Лазер на свободных электронах

 

ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ, содержащий источник электронов и волновод, образующий пространство взаимодействия и одним концом присо13 WS.i3S5i;A SiXs единенный к источнику электронов, а на другом конце имеющий окно вывода энергии, объединенные в одной вакуумной оболочке с генератором накачки, и магнитную, систему, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения частоты генерируемых колебаний до ультрафиолетовой и рентгеновской области длин волн, источник электронов и генератор накачки выполнены в виде пленарного диода с анодом из металлизированной диэлектрической пленки и катодным узлом, состоящим из торцового катода с центральным отверстием и катододержателем, внутри которого расположена газовая кювета, а в боковой стенке катододержателя (Л выполнено выходное окно генератора накачки, связанное со световодным трактом, выход которого расположен напротив окна вывода энергии.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (I 9) (11) 4(51) Н 0 J 25/00

13,.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3498631/18-21 (22) 04. 10 ° 82 (46) 23.05.85. Бюл. 1l 19 (72) А.Н.Диденко, А.P Борисов, А,Г.Жерлицын и Ю.Г.Штейн (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.M.ÊHðîâà (53) 621,385.6(088.8) (56) 1. Жуков Л.Г. и др. Возбужденное комптоновское рассеяние на релятивистском электронном пучке. Ж ЭТФ, 1979, 76, Ф 6, с. 2065.

2. Авторское свидетельство СССР

У 881895, кл. Н 01 J 75/50, 21 ° 04.80 (прототип). (54) (57 ) ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ>

, содержащий источник электронов и волновод, образующий пространство взаимодейСтвия и одним концом присоединенный к источнику электронов, а на другом конце имеющий окно вывода энергии, объединенные в одной вакуумной оболочке с генератором накачки, и магнитную, систему, отличающийся тем, что, с целью повышения частоты генерируемых колебаний до ультрафиолетовой и рентгеновской области длин волн, источник электронов и генератор накачки выполнены в виде планарного диода с анодом из металлизированной диэлектрической пленки и катодным узлом, состоящим из торцового катода с центральным отверстием и катододержателем, внутри которого расположена газовая кювета, а в боковой стенке катододержателя выполнено выходное окно генератора накачки, связанное со световодным трактом, выход которого расположен напротив окна вывода энергии.

1 1 1 В 9 О ->(}13обре < Pi;Hå ) i ; <)(и l (>l к i (;х(lик(:

СБЧ и квли 1 0}эой )лс(((ро}3(п(и» может

>ыть испОт(ь R О в а НО д> . -: Гc! <Пj>;>ции MО!U

НОГО и 3лучения у(п>трлфH< (Р l oн< го H рентгеновского диа:-лэ;)нл; л(:и (3<>i:н .

Известно устрой гтво pc..i!R гивист— ского генератора ),;((ктр млi Hèò> го излучения СВЧ-дилпл 0Н 3, .> .. );}PI>7K(tltl< е

ИстОчник .) IP",,Tpol!0R,. (3 !1()Б ) 1, ..>I „ жащий прОст1>л} CTB<):! В лl! "<)!. кyiM}« оболочке ге (ерлтор накл (к;i, млi (!итру! систему H у"(тройство Выводя энерГии >(1 >. Р ка<(еc òÁР гс -)(p(1>" )рл >iлкл I

Г

КИ ИСПОЛЬ ЗОЯЛН К R j> C i(!<>) ГP<) .. 1<() T& . 1)R ченный к ко«цу но....>!)o; л, с<" рл !с!!H< м. к устройству Ri>1RO;!H .)нергии., Нучок

ЭЛЕ KTPO}(0}3 > i!}!)1<(К (l>i) -. !ЧЬ! l(".!tiHOH С магнитl!Ой и 3< lя, Ili(й, р:}Г(яня

СЕЯ}(НОВ >.,(! ЕК 1 РО"! R I (I I! !>О(И(3;, <>< 1(;1<. миллиметрового,(илпл 3< нл !IpOHо,}ит через клрси}(отрсн и (! 3 ("-(лется }3 с нов бодное прострлнство чгp(3 рупор }(ля

ВЬ!ВОДЛ ИЗ.)(> )>РНИ Я, Данное устр< йатв((< .il;:ц,!е ря,>»м су!пест(зенных tf(.I()c (л-:iso R . K ним

ЗО следуст отнес 3п >!!гэк(>й l,jt. I II огрлничение llR минимл l! 4 i<) i:11!Ну г(нери— руемь(х: о <>Гб;3 (и}, : l> >кlfi< I(ll, (cRR элп с тем..",", < l() ->:(> тj)o>I<)R„ i роходя

IPPP R 30. (НО!3>)!», (;iHP! ЧЛГТЬ «ROЕ)l

ЗЯ энергии, г, ре -ультате (его и кярсинотао}(е иэ-эа н,!г>у!ие}((эя; слоний резонлнгн >г ) «злимопейа (}!и(! .".у (кл со структурой f>»R(:Гинотронл !!раисходит срыв генер,>ции. Ограничения нл минима>!ь и у ю,. (tH(1 ) к ") IP. ) Pi нlf<".,;б ьЯ Г (1 я 0 ) с Я

40 тем, -!то дли (л гp!i(:.рируемых колебаний, ".Iat}ptrt!P»> R режиме 2>i-колебаний связана Г llenpn!(Oil Структуры клрсин< трона соот;(оп!е)3 эем >) = "! >(>> где

4 длина волны PHep«(руе:::tf>(hoлебаний; период Структуры кл;)синотронл;

)- — релятивистский фяк(:)р> хярякте-! ризующий! энергию .(ек г»онов пучка.

Уменьшение . В<:э:::!0>l 10 .}ишь по of ределенных преде.!ов, апреле;(яе <ь(х труд5О ностью и:(готовления структурьi и ее электрической прочностью, Увеличение т влечет за собой ба:п,ttfие ма> ериальные затраты,.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство„ содержащее источник элект()онов и вол(}овод,. обрлi (! ll ii;)ОГТ})Л!<Г ГВ» ti 3Л}("4 );rP<3ÃTRHE> . ) > ь (! l 1 ! i (. i 1 f t l f (. . о :i E l () !3 (if(», M t} O « 0 6 O:!Оч>((Г генерлт<)ром нлка>!ки, ма г нитную < ИГте (у и угтp<)A(TRo выводя энерг!.>;> С! Ч-> рлкт (2 2. 1 енерлтор нлклчки 311::<) i li е н н R иде р cllятивиГтГ когo мл г и(тр»«!. Нри этом налпонол рл )Met!felt ! ежду т. рпом млгнетроня и у(тройстRnь(:)ь!1301((! CRня }(ь(Гтуплет эа торец

11- } l i=(. Tp 01(я Б Б 0>lн Овод . Вы с т yплк)!Яий

>тpF 3 >1< катода и волновал образуют колксил:!Ьный диод, который является исто и(иком э.(ектронов ге}(ератора, СВ)1-энергия иэ млгнетронл 1(ыводится н>(ок и по СВН-тракту, который саеди1!Pli < MR! Н(ТPOHAM И С КОНЦОМ BOJIHO

i3 )дл, передает<.я R про(-транство

R }яим(действия, т. е. В волновал.

l)JlH1 < даря отсутствию влияния р".Ccpÿííîão из:(учения на генератор !

Вклчки ь,}1,."(ус гройствя увеличен.

<)((((-ко ограничение, связанное с минин:).П,ной >>(иной волны генерируемьгх

«nлГб);эниi: продолжает действовать и н л:ннг>м ."c Tpой>стRP.

IIP.1ь }3(3(бретения — повышение час-! oThl г нерируемьгх колебаний до у>(ьтрлфи .i(". ан<)й и рентгенон<гл(ой области

"(>(И}! НР:И! .

Ис>(ь;(<)Гтига(тся тем, что в лазе;)Г. Нл свг б<>Иных электронах, содержаи. м и(то (ник эл(. к тронОВ и ВОлнОВОд . брлэующий пространство вэаимодейст}3H}3 И ОДНИ 1 КОНЦОМ ПРИСО("ДИНЕННЫй

К ИГ Т >«fr(If(>. Э!1(.КТРО}(ОВ Л На ДРУГОМ конце !(меющий окно вывода энергии, абъедип(-HHE!P н одной вакуумной 060

ilочк(Г г< нер I TopoM накачки, и магнитн >t<) Гистему, источник электронов и генсрлтор нлкачки выполнены в виде

liланлрногo Jl}Io,"(à с анодом из металл.(з)}1) о}эл}(ной диэлектрической пленки

И i(BTO;tl(htM y 3 iOM ГOCТОЯЩИМ Иэ ТОР

;(0R0ro HaTo;}a с центральным отверстием и катоподержателем, внутри которого рлспо:!ожена газовая кювета, а з боковой стенке катододержателя выполнено выходное окно генератора накачки, связанное с световодным трактом, вь;ход которого расположен напротив окна вывода энергии.

Изобретение поясняется чертежом.

Лазер на свободных электронах содержит высоковольтный источник 1

a»ef(TpoH0R <,например, двойная формирующая линия сильноточного ускорителя), катодный узел 2 с встроенной

904

3 7116 в него газовой кюветой 3, металлизиронанную диэлектрическую пленку 4, волнонод 5, образующий пространство взаимодействия, окно для выхода излучения генератора 6 накачки, световодный тракт 7, магнитную систему

8, окно 9 вывода энергии, расположенное в конце волновода, напротив анодной пленки 4.

Устройство работает следующим . 10 образом.

Импульс высокого напряжения от источника 1 электронов прикладывается между катодом и анодой пленкой

4, выполненной из металлизированного со стороны волновода 5 диэлектрика, и прозрачной для электронного пучка, образующегося в результате взрывной эмиссии. Пучок через анодную пленку инжектируется в волновод 5, а его 20 транспортировка через область взаимодействия обеспечивается магнитной системой 8. При прохождении электронов через диэлектрическую пленку 4 за счет поверхностного пробоя и 25 разогрева на ее поверхности образуется плазма, из которой электрическим полем вытягиваются положительные ионы, ускоряются в катод-анодном промежутке, проходят через прозрач- 30 ную для ионов стенку кюветы 3 и попадают в газовый объем кюветы.

Возникшее в результате ионной накачки лазерное излучение через окно .для вывода излучения генератора 6 накачки и по световодному тракту 7, через окно 9 поступает в волновод 5.

В волноводе 5 лазерное излучение рассеивается на сильноточном элек1ронном пучке, движущемся от анода 4 навстречу излучению. В результате взаимодействия с релятивистским сильноточным электронным пучком лазерное излучение преобразуется в мощное излучение ультрафиолетового и рентгеновского диапазона длин волн, 45 которое распространяется в направлении движения электронного пучка, и через окно 9 вывода энергии выводится наружу.

Применение в устройстве ионной

50 накачки газового лазера вызвано тем

У что лазеры с ионной накачкой имеют значительно большой КПД по сравнению с его электронным аналогом.

Кроме того, такое конструктивное решение сильноточного диода, а именн? помещение в область катододе.ржателя газовой кюветы и использование в качестве анода металлизированного диэлектрика, позволяет одновременно на одной установке получить электронный пучок и сильноточный пучок ионов.

Это преимущество особенно существенно для накачки эксимерных лазеров, генерирующих более коротковолновое (фиолетовое и ультрафиолетовое) излучение, В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим случай, когда в качестве источйика электронов используется наносекундный ускоритель с параметрами: энергия электронов до

1,5 МэВ, ток пучка до 50 кА, длительность импульса 20-80 нс. Применение в качестве анода алюминизированной полиэтиленовой пленки толщиной 10 мкм позволяет получить ионный пучок с током до

5 кА, энергией до 1,5 ИэВ. В этом случае, при накачке таким ионным пучком газового лазера из смеси

А -N> происходит лазерное излучение на длине Л = 337-380 нм. Полученное таким образом лазерное излучение передают в область взаимодействия с помощью системы зеркал. В области взаимодействия, представляющей отрезок круглого волновода диаметром

90 мм, при диаметре пучка 30-40 мм возможна транспортировка пучка током не больше предельного равного 6-10 кА, что значительно меньше инжектируемого. B данном случае при толщине анодной пленки 10 мкм и энергии

1 5 МэВ электронный пучок может инжектироваться с максимальным для рассматриваемого источника электронов током до 50 кА. В области взаимодействия в результате рассеяния излучения на сильноточном пучке при его движении навстречу пучку за счет эффекта Допплера происходит электромагнитное излучение вдоль пучка с длиной волны в 4 р2 меньше, чем длина волны. падающего излучения. В рассматриваемом случае длина волны . уменьшается в 50-60 раз, что будет

1 составлять 71 5-6 нм.

Так лазер на свободных электронах позволяет существенно продвинуться в коротковолновую область и генерировать электромагнитные колебания в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне длин волн.

1116904

Составитель В. Долматов редактор Л, Письман Техред Т.Дубинчак

Корректор И. Муска

Заказ 2884/5

Тираж 679

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4