Лазер на свободных электронах

 

Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излучения при помощи пучков ускоренных частиц , в частности, к лазерам на свободных эле ктронах. Цель изобретения - увеличение коэффициента усиления лазера на свободных электронах - достигается тем, что источник 5 электронов расположен так, что его электронно-оптическая ось параллельна оси ондулятора 1, и введена дополнительная магнитная система 6 поворота электронного пучка на 180°, вектор индукции В в которой параллелен вектору магнитного поля с индукцией В<SB POS="POST">о</SB>, что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей в пучке ускорения частиц. 2 ил.

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 01 J 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4146872/24-21 (22) 17. 11.86 (46) 15.09.89. Бкл. М 34 (72) В,A.Базылев и В.В.Головизнин (53) 621.385.6 (088.8) (56) Deacon D.À.G. et al. First operation of à free-electron laser.

Phys. Rev. Lett. 1977, ч.38, р.892.

Патент США Р 4425649, кл. 372-2, 1984. (54) ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ (57) Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излучений при помощи пучков ускорен„„SU„„50 298 А 1

2 ных частиц, в частности к лазерам на свободных электронах. Цель изобретения — увеличение коэффициента усиления лазера на свободных электронах " достигается тем, что источник 5 электронов расположен так, что его электронно-оптическая ось параллельна оси ондулятора 1, и введена дополнительная магнитная .система 6 поворота электронного пучка на 180, вектор индукции В в которой параллелен вектору магнитного поля с индукцией В что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей в пучке ускорения частиц. 2 ил.

3 1508298

Изобретение относится к генерации когерентного электромагнитного излучения при помощи пучков ускоренных частиц, в частности к лазерам на свободных электронах (ЛСЭ).

Целью изобретения является увеличение коэффициента- усиления ЛСЭ.

На фиг.1 показана схема ЛСЭ с поперечным статическим магнитным полем 1О на фиг.2 — траектория электрона в поперечном магнитном поле с индукцией ,Воо еВо а

Х=Х о чую Z+2g еВо ч=ч + — -Z х хо где Х и ч„ — соответственно поперечная координата и скорость электрона на влете в рабочую область ЛСЭ (2=0, см. фиг.2).

В точке фазового синхронизма Z „ продольная скорость электрона

vx ш с 1И 1 V» о т ч (1 — — - — --) 1--(— + с Е 2 с

m c

+ — — ) Еа 1 откуда получаем (2) Эффективное усиление лазерной волны происходит лишь вблизи точки фазового синхронизма, вдали от нее детали траектории не играют роли. По этой причине для пучка электронов в целом должно выполняться .условие где d — - диаметр лазерного пучка (см. фиг.2; заштрихованная область схематически. изображает множество точек (Х„,, 2,„)).

В противном случае часть электро-. нов будет проходить через точку фазового синхронизма вне области, занятой электромагнитной волной, и не смо жет усиливать последнюю..

Рассмотрим вначале ситуацию, ког-, да магнит 6 отсутствует. Полагая, что в пучке электронов существует угловой А 8 и энергетический д E разброс, а также разброс по координате д Х, и

me полагая дЕ(< Е; d8 ((- -, вариацию координаты Хж представим в виде т

РХ "-ФХ +(2(1 — - ) + — — - — "- J»

v ш с vхе о с с

"Е Ечх m (ФЕ) с х — — — — Л2- гч

Й

2еВа еВо с1- х 2еВ f

В устройстве основным рабочим ор- 15 ганом является ондулятор 1 с постоянными параметрами, на который накладывается магнитное поле с индукцией

Во, перпендикулярное его оси 2. Вдоль оси ондулятора распространяется усили-О ваемый лазерный луч 3. Электронный йучок 4, генерируемый источником 5 электронов, движется- под малым углом к оси ондулятора; изменением этого угла достигается согласование продольной.скорости электронов с фазовой скоростью одной из комбинационных волн лазерного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Для увеличения коэффициента усиления предлагается перед попаданием электронного пучка в рабочую область

ЛСЭ отклонять его магнитнбй системой

6 поворота электронного пучка на угол 180 (в той же плоскости, что и поле В, что дает возможность ослабить влияние разброса скоростей в пучке).

Пусть ось Z совпадает с осью ондулятора, а оси Х и Y направлены соответственно перпендикулярно и параллельно полю В . Отклонение частиц происходит в направлении Х, поэтому без ограничения общности достаточно рассмотреть движение только в плоскости (XOZ). Обозначим через ч скорость электрона, а через v@ фазовую скорость соответствующей комбинационной волны; при этом предполагается выполненным условие ч (v 1. Ввиду того что энергия электронов E значительно превышает их массу покоя m, а угол отклонения частиц от оси предполагается малым (v „ < 1), поперечная координата Х и скорость v „частицы в точке Z приближенно равны

Е г

v v o

Х =Х + — — 2(1 — - )

2еВ о с с>

1508298 (4) Таким образом, пройдя через поворотный магнит, пучок приобретает качественно иную структуру: смещение

5 частиц по точке влета Хо оказывается коррелировано с их энергией Е, Это позволяет -исключить иэ IХ также и члены первого порядка малости по lЕ.

В самомделе, при наличии разворачивающегося поля В имеем: еВ,с

2еВ с

Id х, !с ах.

15 2еВ, Для того чтобы происходила необходимая компенсация слагаемых, следует выбрать поле В равным

20 (8)

2 (1 — — + — с-) с гХ Гд Х, 30

Легко видеть, что ограничение на эмиттанс в этом случае совпадает с (б), а ограничение на энергетический

35 pas6poc ра :

ЛЕА(2еЕ,E d) (9) 40

md еЕ с1 Ю

2Е (6) еЕо с1

Рассмотрим теперь результаты, полученные при осуществлении предлагае мого способа накачки. Как известно, радиус поворота электрона в магнитном поле В пропорционален его поперечному 55 импульсу (в данном случае йоперечный импульс совпадает с энергией частицы):

R = Я/еВ.

Е (A «o ) v хо. Е ч" где Я,v „ - средние значения энергии хо и начальной поперечной скорости электронов: Р=

= + РЕ, чхо+I õî о

А хо

Минимизируя величину Ь Х ф (Х..g- лхсхкс — Х g мы )

У следует в первую очередь стремиться исключить члены первого порядка малости по <АХ, РЕ, Pv,, это удается сделать только для слагаемого с 4v положив начальный угол влета v „,=О. После этого

v, m c IE

8X - УХо+(2(1 — - ) + — —. -1 — — ——

Е 2еВ, Е (А7 Хо) (5)

2еВ, с

Из (5) получаем следующую оценку на допустимый разброс параметров пучка: 2dX d, Е (66) /2еВ d, 4

1 2(1 ) + =i j ЛЕ /eBo d

Далее, оптимальные значения параметров установки состаляют приближенm с ч

1 4 чф но - — (1 — - ) В = Е (1 — †)

Е с с где E о — амплитуда напряженности поля в лазерной волне.

С учетом того, что качество пучка принято характеризовать эмиттансом

k=dX.58, окончательно получаем следующие ограничения

2ГЯ чф ш. с °

dX =1Х вЂ” — — + t г(1 — - -) + — =-1 еВ с

m Æ) с E (гх..)

2еВ, Е 2еВ, с (направление В совпадает с направлеФ нием поля В ) .

При учете (8) вариация точки фазового синхронизма равна ш (РЕ) с E.(A )

2еВ, Е 2еВ с

Пример. Зададимся следующими значениями параметров установки: Е =

=3 -10 В/см; d=0,3; Е =50 Мэв.

Мощность лазерного пучка при этом составляет около 3 ГВт длина волны генерируемого излучения — несколько

1 микрон (при периоде ондулятора в несколько сантиметров), индукция .магнитного поля внутри ЛСЭ Ba=(1-2) Гс.

В отсутствие отклонения пучка ограни-чения на параметры пучка составляет величину k «0,3 см мрад; и E 60,3 Мэв.

При введении отклонения пучка по формуле (9) находим: а Е 10 Мэв. По сравнению с прототипом достигается улучшение в 30 раз. Требуемая индукция поля в поворотном магните составляет 10-20 кГс.

Для сравнения приведем также ограничения на качество пучка при работе ЛСЭ в режиме многократного пе1508298 8 отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления, источник электронов расположен так, что его электронно-оптическая ось параллельна оси ондулятора и введена дополнительная магнитная система поворота электронного пучка на

О

180, вектор индукции В которой параллелен Во, при этом выполнено соотношение ресечения точки фазового синхронизма:

АХ «,1 дд с — (-л ) «

4Уш

3f < f,1«

4Хш

Для 3 2 мкм получаем: k 4 0,2 мм.мрад, д Е 0,5 Мэв, по сра нению с этим режимом работы, как видим, достигается увеличение по допустимому энергетическому разбросу в

20 раэ, по эмиттансу в 15 раз.

Формула изобретения

Лазер на свободных электронах, содержащий источник электронов, пространство взаимодействия с ондулятором, систему для создания в пространстве взаимодействия поперечного статического. магнитного поля с индукций Во, Тл, 4Во

v ш с4

Э о + с, К вЂ” фазовая скорость комбинационной волны, м/с — масса электрона, кг — средняя энергия электронов в. пучке, Дж)

" скорость света, м/с.

1 где v

Составитель В.Черепенин

Техред M.Õoäàíè÷ Корректор В.Гирняк, Редактор М.Цитки .а

Заказ 5548/55 Тираж 696 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101