RU1809934C - Лазер на свободных электронах - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электронной технике, в частности к генераторам и усилител м флуктуационных и когерентных колебаний . Цель изобретени  - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов - достигаетс  тем, что в лазере источник рел тивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного рел тивистского электронного потока. Достижение цели изобретени  подтверждено расчетами. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к электронной технике, в особенности, к генераторам и усилител м флуктуационных и когерентных колебаний, и может быть использовано как генератор шума в измерительно технике, а также в качестве технологического генератора электромагнитного излучени .

Цель изобретени  - расширение рабочего диапазона частот электронного прибора и повышение устойчивости его работы при снижении веса и габаритов.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в электронном приборе, содержащем систему накачки, электродинамическую систему генерируемого (усиливаемого) сигнала, кол-, лектор электронов, согласно изобретению, источник рел тивистского электронного пучка выполнен по схеме, обеспечивающей создание двухскоростного (биэнергетично- го) электронного потока.

Выполнение источника рел тивистского электронного пучка по указанной схеме дает возможность использовать в устройстве в качестве рабочего механизма эффект двухпучкового супергетеродинного усилени  электромагнитных волн.

На фиг. 1 изображена структурна  электрическа  сх ема электронного прибора (модификаци  1 - генератор флуктуационных .колебаний); на фиг. 2 - структурна  электрическа  схема электронного прибора (модификаци  2 - генератор когерентных колебаний); на фиг. 3 - компоновка прибора по модификации 2.

В качестве узлового элемента за вл емой конструкции, в том числе и устройства, представленного на фиг. 1, служит источник двухскоростного электронного пучка, который включает в себ  электронные пушки 1 и 2, используемые как инжекторы дл  ускорител  3. В качестве электронных пушек при- мен ют как электронно-оптические системы, на основе термо- либо фотоэмиссионных катодов, создающие прецизионные электронные пучки, так и ускорители пр мого действи  на основе взрывных като00

о ю о

со

N

СлЭ

дов. Система накачки 4 может иметь многочисленные варианты схемного исполнени , как по типу используемого пол  накачки, так и ее компоновки. Наиболее перспективны здесь стандартные магнитные ондул торы (в том числе и микроондул торы) и системы лазерной накачки, т.е. системы с накачкой периодически реверсивным магнитным полем либо полем электромагнитной волны. Система накачки имеет односекционную либо многосекционную компоновки. В последнем случае она содержит относительно короткие секции накачки, разделенные длинными пролетными промежутками. В генераторах { луктуационных колебаний од- носекционные конструкции системы накачки, однако, более предпочтительны. Электродинамическа  система генерируемого сигнала 5 служит дл  вывода генерируемого излучени  частоты од из устройства (например, в форме цветного шума). Она выполнена в виде оптической либо квазиоптической линии. Дл  повышени  КПД прибора и уменьшени  уровн  тормозного рентгеновского излучени  коллектор электронов 6 может иметь многоступенчатую схему исполнени  и содержать деускори- тельную секцию, т.е. ускорительную секцию , работающую в режиме торможени  электронного пучка. Деускоритель и ускоритель выполнены по одной из известных схем. Наиболее перспективны здесь линейные индукционные и электростатические типы конструкций-. Причем конструкци  электронных пушек-инжекторов такова, что одна из них имеет в центральной части окно, через которое ввод т электронный пучок 7 таким образом, чтобы на выходе другой пушки он совместно с электронным пучком 8 образовывал бы двухскоростной электронный пучок 9.

Генератор когерентного электромагнитного излучени  представлен на фиг. 2. В данном примере проиллюстрирована ина  возможна  конструктивна  модификаци  конструкции источника двухскоростного пучка. Здесь 1 и 2 - электронные односко- ростные ускорители с пушками-инжекторами , а 3 - система сведени  двух односкоростных пучков в один двухскорост- ной. Устройство последнего типа широко используют в ускорительной технике. Система накачки 4 может иметь как одно- так и многосекционную конструкцию. Дл  данного устройства наиболее перспективны двухсекционные конструкции пролётно- клистронного типа. Коллекторный узел может содержать устройство разделени  электронных пучков по энерги м 5. аналогичное по принципу действи  масс-спектрометрической системе. В этом случае токо- осаждение осуществл етс  в двух коллекторах 6 и 7 соответственно. В представленном примере электродинамическа  система сигнала 8 выполнена в виде резонатора Фаб- ри-Перо. При малых относительных раздвижках скоростей электронных пучков 9, 10 коллекторный узел может вместо системы разделени  пучка 11 содержать одно

Q поворотное устройство и один коллектор. При замене последнего на оптическую линию конструкци  может быть использована в качестве усилител  когерентного электромагнитного излучени  субмиллиметрового 5 видимого излучени .г

Пример конструкции генератора, выполненного по схеме, представленной на фиг. 2, приведен на фиг. 3. В качестве основы здесь выбрана установка компактного

0 лазера на свободных электронах, построенна  в Калифорнийском университете, Санта-Барбаре (США). Модернизаци  указанной известной установки произведена в соответствии с существом изобретени .

5 Здесь односкоростные электронные пушки 1, 2 используют в качестве инжекторов дл  двух ускорительных трубок 3, 4 соответственно (два параллельных канала в электро- статическом ускорителе). Элементы 5, 6

0 используют дл  транспортировки и поворотов каждого из односкоростных электронных пучков. В качестве системы накачки 7 использованы одно- либо двухсекционные микроондул торы (в последнем случае при5 менена описанна  выше пролетно-клист- ронна  схема системы накачки) на основе самарий-кобальтовых магнитов. Системы 8, 9 служат дл  поворотов, транспортировки и деускорени  (торможени ) отработанного

0 двухскоростного пучка, дл  осаждени  которого предусмотрен многоступенчатый коллектор 10, В данный блок узлов может быть введено устройство разделени  электронных пучков по скорост м. В таком случае

5 конструкци  содержит по две системы поворотов , транспортировки и деускорени , а также два коллектора. Весь электронно-оптический тракт рассчитан на прохождение двух электронных пучков с энергией 2 МэВ

0 и током 2 А каждый. Компрессию электронного пучка на входе системы накачки и транспортировку его через область взаимодействи  электронного прибора осуществл ют .с помощью набора известных

5 электронно-фокусирующих систем (квадру- польных и секступольных линз, соленоидов и др.). Питание ускорительной и деускори- тельной трубок осуществл етс  от генератора Ван-Дер-Граафа Н, питание диагностической аппаратуры, а также управл ющей аппаратуры в высоковольтной части установки - от генератора 12, привод щегос  в движение гибким пластиковым валом 13, Электродинамическа  система сигнала 14 выполнена в виде резонатора Фабри-Перо либо оптической линии. Электродвигатель 15 предназначен дл  возвращени  пластикового вала, соединенного с генератором. Лазерна  часть электронного прибора с набором вспомогательных сие- тем размещена в объеме кондуктора 16, к которому подключен генератор- Ван-дер- Граафа. Весь объем установки, ограничен- ный танком 17, заполнен газом, обладающим высокой электрической проч- ностью, например, шестифтористой серой. Исключение составл ет лишь объем электронно-оптического тракта, где поддерживают высокий вакуум.

Устройство работает следующим обра- зом.

Рассмотрим конструктивный вариант, представленный на фиг. 1 (генератор флук- туационных колебаний). Двухскоростной электронный сильноточный пучок 9, сфор- .мированный из электронных пучков 7, 8, создаваемых двухскоростным инжектором 1, 2, поступает на вход ускорител  3, который в данной конструкции имеет достаточно высокий темп ускорени  (не менее 3-5 МэВ/м). Преждевременное возбуждение двухпотоковой неустойчивости в пучке в процессе ускорени  дл  стандартной системы подавлено тем, что резонансна  частота двухпотоковой неустойчивости здесь мен етс  с ростом энергии пучка, так что случайна  флуктуаци  фиксированной частоты может усиливатьс  только в течение малого промежутка времени. После выхода из ускорител  3 двухскоростной пучок 9 на- правл ют в систему накачки 4, где дл  него реализуют услоаи  возбуждени  двухпотоковой неустойчивости. Последнее характеризуетс  малосигнальным инкрементом усилени 

Г- сов

2су$/2 Vi -лГ и резонансной частотой

(i-HT2).

® где (Ув - плазменна  частота двухскоростного пучка;

уо - рел тивистский фактор, усредненный по.рбоим пучкам,

с - скорость света в вакууме,

Ау - разность рел тивистских факторов односкоростных пучков.

В качестве начального возмущени  дл  двухпотоковой неустойчивости служат волны пространственного зар да (ВПЗ), возбуждаемые в пучке в результате нелинейного параметрически-резонансного взаимодействи  электромагнитных шумов системы частоты (Oi и пол  накачки с электронами . В случае Н-убитронной накачки параметрически-резонансна  частота может быть легко вычислена fyo 1) по формуле

ОУ2

4лс$

О)

(3)

5 10 15 20

25 30 35 40 45

50

55 где Л- период ондул тора;

of - частота ВПЗ, возбуждаемых при параметрическом резонансе.

В случае наложени  двух резонансов (двухпучкового и параметрического), т.е. при (ai о - О), одна из ВПЗ, возбуждаемых за счет параметрического механизма, эффективно усиливаетс  за счет двухпотоковой неустойчивости. В свою очередь, взаимодействие нарастающей ВПЗ с полем накачки приводит к генерации (за счет пара- , метрической св зи волн) нарастающей электромагнитной волны сигнала о% и т.д. При больших усилени х ВПЗ и при некоторой оптимальной малой растройке резонансных частот 0)2, а} и со (удовлетвор ющей критерию Чирикова) в системе в дальнейшем происходит стохастизаци  процесса усилени  - устройство переходит в режим работы генератора флуктуационных колебаний. Генерируемый сигнал од выводитс  из устройства посредством электродинамической системы 5, а отработанный электронный пучок 9 осаждаетс  на коллекторе 6.

Приведем некоторые оценки. В качестве инжекторов 1 и 2 (фиг. 1) выберем сильноточные диодные пушки;обеспечивающие в области взаимодействи  устройства значени  плазменной частоты двухскорсетного пучка сов 1012 . В качестве системы 3 применим линейный индукционный ускоритель на энергию 5 МэВ, а дл  накачки - микроондул тор, описанный в, напр женность магнитного пол  10 кГс, период- 4 мм, длина - 80 см. После вычислений получаем coo. 5Х1014 , что соответствует длине волны Хг 4 мкм, Г 0,5 см , погонный линейный коэффициент усилени  1,8 10 раз/м. При этом полагалось, что разброс электронов по энерги м на выходе ускорител  составил величину 1%, что вполне реально , При (уже реализованных в аналогичных однопучкор.ых системах) импульсна  мощность выходного флуктуаци- онного сигнала может составить величину 10 Вт (в случае использовани  килоам- перных пучков).

Работа устройства, приведенного на фиг. 2 и фиг. 3, сходна с работой вышеописанного . Отличие состоит в том, что данна  система работает в режиме генератора (с самовозбуждением) либо ускорител  когерентных колебаний. Здесь реализованы услови , при которых стохастизаци  генерируемого (усиливаемого) сигнала не происходит . Это достигаетс  при не слишком высоких усилени х в односекционных системах . В случае-высокого усилени  исполь- зована клистронно-пролетна  конструкци  системы накачки, где основное усиление происходит на пролетцом участке системы и наложение двух нелинейных резонансов места не имеет. Секции же модул ции и энергоотбора выполнены достаточно короткими , так что процесс стохастизаций усиливаемого сигнала развитьс  не успевает. Дл  иллюстрации достоинств устройства приведены данные расчетов. Ориентируемс  на конструкцию с параметрами: энерги  - 2 МэВ, ток .сдвоенного пучка - 2x2 А В односекционной системе дл  накачки выбираем вигглер с амплитудой пол  накачки 500

Гс, периодом 1 мм, длиной 20 см. Радиус пучка полагаем равным 0,4 мм. Тогда дл  коэффициента усилени  находим величину 2,6 раз, т.е. 260% за один проход, В аналогичной однопучковой системе соответственно получаем величину усилени  12-15% за один проход. Переход к пролетно-клистрон- ной системе позвол ет подн ть коэффициент слабосигнального усилени  до значени  10 и выше, что может быть реализовано(в принципиальном плане) с помощью прототипа лишь в огромных установках размерами в сотни метров. Здесь же габариты установки составл ют величины 6x1,5 м (см. фиг. 3), соответственно резко снижаетс  ее вес.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Лазер на свободных электронах, содержащий расположенные последовательно источник рел тивистского электронного пучка, систему накачки, электродинамическую систему генерируемого сигнала, отличающийс  тем, что, с целью расширени  рабочего диапазона частот, повышени  устойчивости его работы при снижении веса и габаритов, источник рел тивистского электронного пучка выполнен двухскорост- ным.

   JL/II JL JLJL

   Фиг. 1

   Фиг. 2