Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах

1. Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах, який містить інжектор та прискорювач релятивістського електронного пучка, що складається з щонайменше однієї секції, систему накачки, що складається з щонайменше однієї секції, електродинамічну систему електромагнітного сигналу, електронний колектор та підсилювач комбінаційної електронної хвилі, який відрізняється тим, що підсилювач комбінаційної електронної хвилі виконаний у вигляді поздовжнього електричного ондулятора. 2. Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач комбінаційної електронної хвилі розміщений у робочому об'ємі системи накачки на осі релятивістського електронного пучка. 3. Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач комбінаційної електронної хвилі розміщений між вхідною та вихідною секціями системи накачки на осі релятивістського електронного пучка. 4. Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах за п. 3, який відрізняється тим, що принаймні одну секцію прискорювача релятивістського електронного пучка розміщено на осі релятивістського електронного пучка між вихідною секцією системи накачки та підсилювачем комбінаційної електронної хвилі. 5. Супергетеродинний параметричний лазер на вільних електронах за пп. 1-4, який відрізняється 2 (19) 1 3 87750 4 скорювальної секції індукційного прискорювача, ся тим, що підсилювач комбінаційної електронної кожну пару сусідніх груп магнітних індукторів якого хвилі виконаний у вигляді індукційного прискорюпідключено до джерел електричного струму таким вача з екранованими магнітними індукторами, кочином, що вектори електричних полів, які вони жну сусідню пару яких підключено до джерел елегенерують на осі прискорювального каналу, орієнктричного струму, таким чином, що вектори товані взаємно протилежно. електричних полів, які вони генерують в приско14. Супергетеродинний параметричний лазер на рювальних проміжках екранів індукторів, орієнтовільних електронах за пп. 1-11, який відрізняєтьвані взаємно протилежно. Винахід відноситься до релятивістської електроніки, в особливості до супергетеродинних параметричних лазерів на вільних електронах, і може бути використаним як генератор чи підсилювач електромагнітних сигналів, у тому числі, в технологічних системах комерційного призначення, зокрема, в системах побудованих на принципі стимулювання хімічних реакцій лазерним випромінюванням і системах лазерної різки та зварювання матеріалів. Відомий пристрій, здатний працювати як параметричний лазер на вільних електронах (ПЛВЕ) [Силин Р.А., Кулиш В.В., Клименко Ю.И. Электронный прибор. \\ А.с. (СССР), №705914. Приоритет от 18.05.72, Kulish V.V. Hierarchical methods. Vol.1. Hierarchy and Hierarchical Asymptotic Undulative Electrodynamic systems, Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 2002, pp. 89-107]. Пристрій складається із інжектора та прискорювача релятивістського електронного пучка (що утворюють джерело релятивістського електронного пучка), системи накачки, електродинамічної системи електромагнітного сигналу та електронного колектору. В основу базового робочого механізму даного пристрою покладено ефект параметричного трихвильового резонансу (поперечних електромагнітних хвиль накачки і сигналу та повздовжньої комбінаційної електронної хвилі, відповідно), який, як відомо, характеризується відносно невисокими значеннями коефіцієнту підсилення. В зв'язку з цим, основним недоліком даного пристрою є відносно низькі рівні підсилення електромагнітного сигналу за один прохід. Як наслідок, відомі ПЛВЕ, особливо ті, що працюють у режимі підсилення сигналу за один прохід, характеризуються надмірними габаритами, вартістю виготовлення та експлуатації. Зазначений недолік є основною перешкодою для створення конструкційно простих і відносно недорогих та компактних супергетеродинний лазерів на вільних електронах комерційного призначення. Відомий також пристрій, здатний працювати як супергетеродинний лазер на вільних електронах плазма-пучковий супергетеродинний лазер на вільних електронах (ППСЛВЕ) [Коцаренко Н.Я., Кулиш В.В. Об эффекте супергетеродинного усиления электромагнитных волн в системе плазма пучок. \\ Радиотехника и электроника, т. 25, №11, 1980, с. 2470-2471]. Пристрій складається із інжектора та прискорювача релятивістського електронного пучка (що утворюють джерело релятивістського електронного пучка), системи накачки, електродинамічної системи електромагнітного сигналу, електронного колектору та підсилювача комбінаційної електронної хвилі. В основу базового робочого механізму даного пристрою покладено ефект супергетеродинного підсилення електромагнітних хвиль. Даний ефект реалізується за рахунок того, що у робочий об'єм ППСЛВЕ на відміну від ПЛВЕ введено додатковий сторонній (непараметричний) механізм ефективного підсилення комбінаційної електронної хвилі. У даному випадку роль цього додаткового механізму виконує ефект плазма-пучкової нестійкості. Таким чином, головною конструкційною відмінністю даного пристрою (ППСЛВЕ) від попереднього аналогу (ПЛВЕ) є введення у його склад спеціального підсилювача комбінаційної електронної хвилі, виконаного на базі ефекту плазмапучкової нестійкості. Дана версія ефекту супергетеродинного підсилення характеризуються рекордно високими значеннями коефіцієнту підсилення електронних хвиль. Це, у свою чергу, дозволяє суттєво підвищити коефіцієнт підсилення електромагнітного сигналу за один прохід даному в ППСЛВЕ, у порівнянні з ПЛВЕ. Таким чином, головний недолік ПЛВЕ (малий коефіцієнт підсилення хвилі сигналу) вдається усунути в ППСЛВЕ. Головними недоліками ППСЛВЕ є його надмірна конструкційна складність і ненадійність роботи. Це, в основному, пов'язано із конструкційними і технологічними проблемами, які виникають при забезпеченні ефективної та надійної ізоляції джерела сильнострумового релятивістського електронного пучка (що складається із електронного інжектора та прискорювача) від плазми та нейтрального газу, якими заповнено робочий об'єм плазма-пучкового підсилювача електронних хвиль. Вказаний недолік є головною причиною того, що в процесі роботи збільшується імовірність електричного пробою у катодному проміжку інжектора та в прискорювальних проміжках прискорювача, де за технологічними вимогами повинен підтримуватись високий вакуум. Крім того, попадання іонів плазми у прискорювальні канали прискорювача та робочий об'єм інжектора призводить до появи там зустрічного потоку прискорених іонів. Ці іони інтенсивно бомбардують поверхню катоду та інших елементів конструкції прискорювача, що, в свою чергу, приводить до значного зниження надійності та довговічності роботи джерела релятивістського електронного пучка у цілому. Традиційні технологічні засоби нейтралізації вказаних явищ дозволяють лише пом'якшити їх вплив, але не вирішують проблему кардинально. Усе це, у кінцевому підсумку, приводить до суттєвого ускладнення конструкції пристрою, збільшує витрати на виготовлення та експлуатацію і, відповідно, погір 5 87750 6 шує перспективи його комерційного застосування. електродинамічну систему електромагнітного сигЗазначені недоліки і є основною перешкодою для налу, електронний колектор та підсилювач комбістворення конструкційно простих і відносно недонаційної електронної хвилі, який згідно винаходу рогих супергетеродинний лазерів на вільних елеквиконаний у формі повздовжнього електричного тронах комерційного призначення. ондулятора. При цьому передбачено тринадцять Відомий також пристрій, здатний працювати як конструкційних варіантів виконання даної конструсупергетеродинний лазер на вільних електронах кції та варіанти їх комбінацій. двопучковий супергетеродинний лазер на вільних У першому з них підсилювач комбінаційної електронах (ДСЛВЕ) [Болонин О.Н., Кулиш В.В., електронної хвилі розміщений у робочому об'ємі Пугачев В.П. Супергетеродинное усиление электсистеми накачки на осі релятивістського електроромагнитных волн в системе двух релятивистских нного пучка. электронных потоков. \\ Укр. физ. журнал №10, У другому - підсилювач комбінаційної електро1988, т. 33, с. 1465-1468]. Пристрій складається із нної хвилі розміщений між вхідною та вихідною інжектора та прискорювача релятивістського елексекціями системи накачки на осі релятивістського тронного пучка (що утворюють джерело релятивіелектронного пучка. стського електронного пучка), системи накачки, У третьому - принаймні одну секцію прискорюелектродинамічної системи електромагнітного вача релятивістського електронного пучка розмісигналу, електронного колектору та підсилювача щено на осі релятивістського електронного пучка комбінаційної електронної хвилі. Особливістю даміж вихідною секцією системи накачки та підсилюного пристрою є те, що підсилювач комбінаційної вачем комбінаційної електронної хвилі. електронної хвилі тут виконаний у формі двопучУ четвертому - принаймні частину електродикового підсилювача електронних хвиль. Для цього намічної систему електромагнітного сигналу викоджерело релятивістського електронного пучка (іннано у формі оптичного (квазіоптичного) резонажектор та прискорювач) виконано за двопучковою тора. конструкційною схемою, яка дозволяє формування У п'ятому - принаймні частину електродинамідвошвидкісного пучка у робочому об'ємі ДСЛВЕ. чної систему електромагнітного сигналу виконано Завдяки тому, що роль плазми у даному пристрою у формі оптичної (квазіоптичної) лінзової системи. функціонально виконує плазма другого сильностУ шостому - принаймні частину вхідної секції румового електронного пучка, то вдається вирішисистеми накачки виконано у формі нерезонансного ти принаймні частину вище описаних технологічмодулятора релятивістського електронного пучка. них проблеми, характерних для ППСЛВЕ. В свою У сьомому - принаймні частину системи накаччергу, слід зазначити, що вказаний прогрес досяки виконано у формі електромагнітного ондулятогається ціною суттєвого ускладнення конструкції ра. джерела релятивістського сильнострумового елекУ восьмому - принаймні одну секцію системи тронного пучка, яке, як відзначалось, у даному накачки виконано у формі магнітного ондулятора. випадку повинно бути двошвидкісним. Останнє, в У дев'ятому - принаймні одну секцію системи свою чергу, приводить до суттєвого ускладнення накачки виконано у формі поперечного електричконструкції пристрою у цілому, збільшує витрати ного ондулятора. на його виготовлення та експлуатацію і, відповідУ десятому - принаймні частину системи накано, погіршує перспективи комерційного застосучки з розміщеним в її робочому об'ємі підсилювавання. чем комбінаційної електронної хвилі, виконано у Таким чином, як і у випадку ППСЛВЕ, зазначеформі повздовжньо-поперечного електричного ний вище недолік, що пов'язаний із особливостями ондулятора. конструкції підсилювача комбінаційної електронної В одинадцятому - підсилювач комбінаційної хвилі, є основною перешкодою для створення електронної хвилі суміщено принаймні з однієї конструкційно простих і відносно недорогих секцією прискорювача електростатичного типу, ДСЛВЕ комерційного призначення. кожну пару сусідніх електродів прискорювальної Саме ДСЛВЕ є найбільш близьким до запротрубки якого підключено до джерел електричного понованого винаходу за технічною суттю та репотенціалу протилежного знаку. зультату, що досягається, і його прийнято за проУ дванадцятому підсилювач комбінаційної тотип. електронної хвилі суміщено принаймні з однією Завданням винаходу є створення супергетесекцією прискорювача індукційного типу, кожну родинного лазеру на вільних електронах комерпару сусідніх груп магнітних індукторів якого підційного типу, що характеризується помірними гаключено до джерел електричного струму таким баритами та відносними простотою конструкції і чином, що вектори електричних полів, які вони пониженою вартістю виготовлення та експлуатації, генерують на осі прискорювального каналу, орієнтобто, технологічною та комерційною адекватністю товані взаємно протилежно. умовам, що є характерними для цивільних галузей У тринадцятому - підсилювач комбінаційної індустрії, таких наприклад, як хімічна промислоелектронної хвилі виконано у формі індукційного вість чи машинобудування. прискорювача з екранованими магнітними індуктоПоставлене завдання вирішується тим, що в рами, кожну сусідню пару яких підключено до джесупергетеродинному параметричному лазері на рел електричного струму, таким чином, що вектовільних електронах, який містить інжектор, прири електричних полів, які вони генерують в скорювач релятивістського електронного пучка, що прискорювальних проміжках екранів індукторів, складається з однієї та більше секції, систему наорієнтовані взаємно протилежно. качки, що складається з однієї або більше секцій, 7 87750 8 Виконання супергетеродинного параметричнорювачів, тут кожну пару сусідніх груп магнітних го лазеру на вільних електронах з повздовжнім індукторів підключено до джерел електричного електричним ондулятором в якості підсилювача струму таким чином, що вектори електричних покомбінаційної електронної хвилі (СПЛВЕ) дозволяє лів, які вони генерують на осі прискорювального реалізувати ситуацію, коли в процесі руху сильноканалу, орієнтовані взаємно протилежно. На Фіг.11 струмового електронного пучка в об'ємі повздовжпроілюстровано варіант подібної конструкції піднього електричного ондулятора реалізується силювача комбінаційної електронної хвилі, який ефект параметричного трихвильового резонансу виконаний у формі періодично-реверсивної серії для трьох повздовжніх електричних хвиль (поля екранованих прискорювальних секцій індукційного повздовжнього ондулятора, комбінаційної та холоприскорювача, де магнітні індуктори кожної пари стої електронних хвиль, відповідно). Завдяки цьосусідніх секцій підключено до джерел електричному досягається суттєве підсилення комбінаційної го струму так, що вектори електричних полів, які електронної хвилі. В прототипі аналогічний ефект вони генерують в прискорювальних проміжках екпідсилення комбінаційної електронної хвилі досяранів індукторів, орієнтовані взаємно протилежно. гається за рахунок реалізації двопотокової нестійНа Фіг.12 проілюстровано варіант конструкції підкості (непараметричного механізму). Але, оскільки силювача комбінаційної електронної хвилі, який конструкція повздовжнього електричного ондулявиконаний на базі індукційного прискорювача у тора є значно простішою за конструкцію джерела формі повздовжньо-поперечного електричного двошвидкісного сильнострумового електронного ондулятора. пучка у прототипі, то це, в свою чергу, дозволяє Супергетеродинний параметричний лазер на суттєво спростити конструкцію ДСЛВЕ у цілому, вільних електронах (СПЛВЕ) (див. Фіг.1) містить зменшити її габарити та вартість виготовлення і вхідну частину 1 електродинамічної системи елекексплуатації. тромагнітного сигналу, джерело 2 релятивістськоРішення зі схожими ознаками при патентному го електронного пучка (у складі електронного інжепошуку заявником не виявлені і також не виявлені ктора та прискорювача), вакуумний канал 3 з відомості про впливи, передбачені суттєвими електронним пучком, систему 4 накачки, підсилюознаками винаходу, що заявляється, на досягненвач 5 комбінаційної електронної хвилі у формі поня вказаного технічного результату. Це дозволяє здовжнього електричного ондулятора, вихідну часзробити висновок, що технічне вирішення, що затину 6 електродинамічної системи являється, відповідає критеріям патентоспроможелектромагнітного сигналу та електронний колекності "новизна" та "винахідницький рівень". тор 7. Джерело 2 релятивістського електронного Суть винаходу пояснюється кресленнями, де пучка підключено до вакуумного каналу 3 електрона Фіг.1 показано загальну конструкцію СПЛВЕ, на нного пучка, який, у свою чергу, підключено до Фіг.2 проілюстровано варіант конструкції багатосеелектронного колектора 7. Підсилювач 5 комбінакційного СПЛВЕ, на Фіг.3 проілюстровано варіант ційної електронної хвилі розміщено у робочому конструкції багатосекційного СПЛВЕ з проміжним об'ємі системи 4 накачки таким чином, що вони не прискоренням електронного пучка, на Фіг.4 прозатіняють робочі об'єми вхідної частини 1 та вихіілюстровано варіант конструкції односекційного дної частини 6 електродинамічної системи електСПЛВЕ з електродинамічною системою електроромагнітного сигналу та вакуумний канал 3 з елекмагнітного сигналу, яка виконана у формі оптичнотронним пучком. го (квазіоптичного) резонатора, на Фіг.5 проілюстПриклади конструкційної версії СПЛВЕ, за ровано варіант конструкції односекційного СПЛВЕ схемою, наведеною на Фіг.1, показано на Фіг.2з електродинамічною системою електромагнітного Фіг.8. Особливістю конструкційної версії наведеної сигналу, яка виконана у формі оптичної (квазіопна Фіг.2 (багатосекційний СПЛВЕ) є те, що тут підтичної) лінзової системи, на Фіг.6 проілюстровано силювач 5 комбінаційної електронної хвилі розміваріант конструкції багатосекційного СПЛВЕ, в щено між двома секціями системи 4 накачки, а якому обидві секції накачки виконано у формі магсаме між вхідною (модулятором) та вихідною секнітних ондуляторів (у тому числі, і мультигармоніціями 8, 9, відповідно. Інший варіант даної консчних), на Фіг.7 проілюстровано варіант конструкції трукційної версії наведено на Фіг.3. Тут секцію 10 багатосекційного СПЛВЕ, в якому вхідну секцію електронного прискорювача (як складову джерела системи накачки виконано у формі нерезонансного 2 релятивістського електронного пучка) розміщено модулятора релятивістського електронного пучка, у проміжку між підсилювачем 5 комбінаційної елена Фіг.8 проілюстровано варіант конструкції багактронної хвилі та вихідною секцією 9 накачки. тосекційного СПЛВЕ, вхідну секцію системи накачПриклади версій, що наведено на Фіг.4 та Фіг.5 ки якої виконано у формі електромагнітного ондуілюструють дві конструкційні можливості виконанлятора. На Фіг.9 проілюстровано варіант ня вхідної та вихідної частин 1, 6 електродинамічконструкції підсилювача комбінаційної електронної ної системи електромагнітного сигналу. У тому хвилі, який суміщено з секцією прискорювача елечислі, у версії, представленій на Фіг.4, вхідну часктростатичного типу, кожну пару сусідніх електротину 1 системи електромагнітного сигналу виконадів прискорювальної трубки якого підключено до но у формі суцільного дзеркала 11, вихідну частиджерел електричного потенціалу протилежного ну 6 - напівпрозорого (чи із спеціальним вікном для знаку. На Фіг.10 та Фіг.11 проілюстровано варіанти виводу енергії) дзеркала 12. Дзеркала 11, 12 розконструкції підсилювача комбінаційної електронної міщено таким чином, що вони утворюють оптичний хвилі, що виконані у формі секції індукційного при(чи квазіоптичний) резонатор для хвилі сигналу. У скорювача із спільним електричним екраном конструкційній версії, представленій на Фіг.5, вхід(Фіг.10). На відміну від власне індукційних прискона та вихідна частини 1, 6 системи електромагніт 9 87750 10 ного сигналу виконано у формі оптичних (квазіопелектронного пучка 22 сформовано за повздовжтичних) лінз 13, 14, відповідно. ньо-ондуляторним законом. Приклади версій, що наведено на Фіг.6-Фіг.8 Передбачено два конструкційні варіанти даної ілюструють різні конструкційні можливості при виверсії, що на Фіг.9. Перший із них характеризуєтьконанні системи 4 накачки. У тому числі, на Фіг.6 ся тим, що амплітуди електричного поля 27 на наведено варіант конструкційної версії багатосекгальмівних і прискорювальних проміжках між елекційного СПЛВЕ за схемою, поданою на Фіг.2. А тродами 25 підібрано однаковими. У другому варісаме, тут як вхідну секцію 8, так і вихідну секцію 9 анті вони відрізняються за величиною, так що ресистеми 4 накачки виконано у формі монохромазультуюче електричне поле 27 крім чисто тичних чи мультигармонічних магнітних ондулятоосциляторної складової має також постійну скларів 15, 16. Особливістю даної версії є також і те, дову (гальмуючу чи прискорюючу електронний що тут між ондулятором 15 та підсилювачем 5 пучок 22 як ціле). комбінаційної електронної хвилі додатково введеПриклад конструкції підсилювача 5 комбінано систему 17 поглинання вхідного електромагнітційної електронної хвилі, наведений на Фіг.10, поного сигналу. В конструкційній версії, наведеній на будовано на базі лінійного індукційного прискорюФіг.7, блок, до складу якого входять вхідна секція 8 вача з неекранованим прискорювальним каналом. системи накачки та вхідна частина 1 електродиТут повздовжньо-ондуляторне вихрове електричне намічної системи електромагнітного сигналу, виполе 28 у об'ємі електронного пучка 22 сформоваконані у формі нерезонансного модулятора електно завдяки магнітним індукторам 29. Зовнішній ронного пучка, який складається, наприклад, з екран 30 виконаний таким чином, що він безпосебочкоподібного оптичного (квазіоптичного) резонаредньо не приймає участі у формуванні повздовжтора 18, до якого підключено джерело 19 вхідного ньо-ондуляторного вихрового електричного поля сигналу. Нерезонансний модулятор, який склада28. При цьому індуктори 29 приєднані до джерел ється з бочкоподібного оптичного (квазіоптичного) живлення (тут не показаних) таким чином, що, як і резонатора 18, до якого підключено джерело 19 у попередньому випадку наведеному на Фіг.9, ревхідного сигналу, розміщено між джерелом 2 результуюче вихрове електричне поле 28 в об'ємі лятивістського електронного пучка та системою 17 пучка 22 виявляється повздовжньо-ондуляторним. поглинання вхідного електромагнітного сигналу Приклад конструкції підсилювача 5 комбінатаким чином, що його елементи конструкції не заційної електронної хвилі, наведений на Фіг.11, татіняють робочого об'єму вакуумного каналу 3. кож побудовано на базі лінійного індукційного приОсобливістю конструкційної версії, яка наведена скорювача, але на цей раз - з екранованим на Фіг.8 є те, що тут принаймні одну із секцій сисприскорювальним каналом. Головна відмінність теми 4 накачки, наприклад, вхідну секцію 8, як у від конструкції, що наведена на Фіг.9, тут полягає у даному випадку, виконано формі електромагнітноформі виконання екрану 30, який у даному випадку го ондулятора. Наприклад, у формі уповільнюючої розбито на кілька окремих секцій. У випадку конселектродинамічної системи 20, до входу якої підтрукції, що на Фіг.10, кожна секція екрану 30 охопключено НВЧ-генератор 21. лює тільки одну прискорювальну секцію, яка може Передбачено також і інші конструкційні версії, містити більше чим один магнітний індуктор 29. які відрізняються тою чи іншою комбінацією відоПрискорювальні секції з екранами розміщено одну мих форм виконання ключових конструкційних по відношенні до другої таким чином, що частини елементів (вхідної та вихідної частин 1, 6 електро31 екранів 30 створюють в об'ємі електронного динамічної системи електромагнітного сигналу, пучка 22 повздовжньо-ондуляторне електричне джерела 2 релятивістського електронного пучка, поле. вакуумного каналу 3 електронного пучка, системи Передбачено також варіант комбінованої 4 накачки та електронного колектора 7. Відмінності конструкції, у якій одні прискорювальні секції з екцих версій, однак, не є суттєвими, тобто вони не ранами виконано за схемою, що наведена на торкаються головної конструкційної відмінності Фіг.10, а інші - за схемою на Фіг.11. запропонованого винаходу, що складає його суть. Приклад конструкції підсилювача 5 комбінаПриклади, що наведено на Фіг.9-Фіг.12 ілюстційної електронної хвилі, просторово суміщеного з рують різні конструкційні версії виконання підсисистемою 4 накачки, яку, в свою чергу, виконаною лювача 5 комбінаційної електронної хвилі. У тому у формі електричного ондулятора, наведено на числі, конструкцію наведену на Фіг.9 побудовано Фіг.12. Головна відмінність від попередньої консна базі прискорювальної секції електростатичного трукції, що подана на Фіг.11, у даному випадку прискорювача. Тут електронний пучок 22 розміщеполягає у тому, що тут прискорювальні проміжки но у вакуумному каналі, сформованому ізоляторасусідніх прискорювальних секцій не є перпендикуми 23 та електродами 25, які виконано у формі лярними до осі пучка 22, а орієнтовані під кутом відрізків пролітних труб. Електроди 25 закріплено меншим за 90°. Останнє досягається за рахунок в ізоляторах 23 виводами 26. В свою чергу, виводи спеціальної форми частин 31 екрану, які в конс26 приєднано до джерела високої напруги (тут не трукції використано у якості елементів прискорюпоказаного) таким чином, що електричні поля 27 вального проміжку. А саме, ці частини 31 виконано між будь яким із електродів 25, з одного боку, та у формі відрізків пролітних труб з «косими» торцяйого сусідами зліва та справа, з другого, направми, як це показано на Фіг.12. Як наслідок резульлені колінеарно осі електронного пучка 22 у взаєтуюче ондуляторне електричне поле в об'ємі елекмно протилежних напрямках. Таким чином, ретронного пучка має як повздовжню (поле зультуюче електричне поле 27 в об'ємі підсилювача 5), так і поперечну (поле системи 4 накачки) складові. 11 87750 12 Передбачено також комбінований варіант обидва параметричні механізми (ЛВЕ-йного та конструкції із просторово суміщеними підсилюваповздовжній, відповідно) є просторово суміщеничем 5 та системою 4 накачки, у якому частину прими, як це проілюстровано на прикладі наведеному скорювальних проміжків виконано за «прямою» на Фіг.1. Характерною особливістю такої конструксхемою, що наведено на Фіг.11, а решта за «коційної версії, як легко бачити, є те, що тут підсисою» схемою, як на Фіг.12. За рахунок цього залювач 5 комбінаційної електронної хвилі розміщебезпечено можливість реалізації таких просторово но у робочому об'ємі системи накачки 4 на осі суміщених систем 4 та 5, у яких періоди ондуляції релятивістського електронного пучка. Це означає, поперечного і повздовжнього електричних ондулящо основний та додатковий механізми підсилення торів не співпадають. працюють одночасно в одному і тому ж робочому Робота передбачуваного винаходу полягає у об'ємі. наступному. Джерело 2 релятивістського електроУ другому випадку обидва механізми рознесенного пучка (у складі електронного інжектора та но у просторі (багатосекційні СПЛВЕ), тобто для прискорювача) формує одношвидкісний пучок, однієї і тієї ж групи електронів вони працюють «по який далі направляють у вакуумний канал 3 електчерзі». При цьому, може бути реалізовано приронного пучка, який виконаний у робочому об'ємі наймні два конструкційні варіанти такого простопідсилювача 5 комбінаційної електронної хвилі рового рознесення, як це проілюстровано на Фіг.2 (повздовжнього ондулятора). Цей же робочий ката Фіг.3, відповідно. У першому із них (Фіг.2) підсинал охоплено системою 4 накачки (магнітним, елелювач 5 комбінаційної електронної хвилі розміщектричним чи електромагнітним поперечним ондуно між вхідною та вихідною секціями 8, 9 системи лятором). Одночасно за допомогою вхідної 4 накачки на осі релятивістського електронного частини 1 електродинамічної системи в той же пучка. Зазначимо, як вхідна та вихідна секції 8, 9 вакуумний канал 3 вводять електромагнітний сигсистеми 4 накачки, так і підсилювач 5 комбінаційнал, що підлягає підсиленню. Підсилений електної електронної хвилі, можуть бути виконані як за ромагнітний сигнал виводять назовні через вихідну монохроматичними, так і за мультигармонічними частину 6 електродинамічної системи електромагконструкційними схемами. Крім того, число секцій нітного сигналу, а відпрацьований електронний системи накачки може бути більше, ніж два, а чиспучок осаджують у об'ємі електронного колектору ло підсилювачів комбінаційної електронної хвилі 7 (з рекуперацією його енергії чи без). Підсилення (розміщених між такими секціями) може бути біелектромагнітного сигналу при цьому здійснюють льше, ніж один. за рахунок ефекту супергетеродинного підсиленОсобливості роботи даного типу багатосекійня. Даний ефект реалізують за рахунок нелінійного них (клістронних) схем (Фіг.2) полягає у наступнонакладання двох параметричних механізмів підсиму. У вхідній секції 8 системи 4 накачки разом із лення. Першим із них є традиційний для ПЛВЕ підсиленням вхідного сигналу, згідно до теорії лаефект параметричної нестійкості хвиль в плазмі зерів на вільних електронах, також відбувається електронного потоку, а саме, поперечних хвиль збудження ХПЗ комбінаційної частоти (тобто монакачки і сигналу та повздовжньої хвилі простородуляція електронного пучка за густиною). Далі вого заряду (ХПЗ) (більш детально про цей ефект промодульований таким чином пучок направляють див. в монографії [Kulish V.V. Hierarchical methods. до робочого об'єму підсилювачів 5 комбінаційної Vol.11. Undulative electrodynamic systems, електронної хвилі, де збуджену у попередній секції Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic ХПЗ далі підсилюють за рахунок ефекту параметPublishers, 2002]). Другим є ефект параметричної ричної нестійкості повздовжніх хвиль. В той же нестійкості трьох повздовжніх електричних хвиль час, вхідний електромагнітний сигнал (який на даповільної і швидкої ХПЗ та хвилі повздовжнього ному етапі процесу взаємодії вважають вже віделектричного ондулятора (про ефект параметричпрацьованим) поглинається у спеціальній системі ної нестійкості повздовжніх хвиль більш детально поглинання (тут, задля простоти не показаний). див. у монографії [WeilandJ. and Wilhelmsson H. Значно підсилену ХПЗ далі спрямовують у вихідну Coherent nonlinear interactions of waves in plasmas. секцію накачки 9, де відбувається подальше підOxford: Pergamon Press., 1977]). Нелінійний (супесилення ХПЗ і перетворення її із форми повздовжргетеродинний) перенос підсилення від другого із ньої електростатичної хвилі у форму вихідного механізмів (повздовжнього) до першого (ЛВЕелектромагнітного сигналу. У випадку, коли підсийного) здійснюється за рахунок того, що одна із лювач 5 виконаний згідно із одною із мультигарХПЗ (повільна чи швидка) виявляється спільною монічних схем, вихідний сигнал може бути збудля обох вище згаданих трійок параметрично зв'яджений на одній із вищих гармонік вхідного заних хвиль. Таким чином, характерною фізичною сигналу. Завдяки цьому, перш за все, суттєво підособливістю базового робочого механізму СПЛВЕ, вищується рівень електромагнітної розв'язки вина відміну від прототипу, є також і те, що тут обидходу пристрою із його входом. По друге, значно ва механізми підсилення, як основний, так і додатзбільшується коефіцієнт підсилення. Останнє поковий, носять параметричну природу. яснюється тим, що ефективність повздовжнього Описаний робочий механізм супергетеродинпараметричного механізму різко зменшується із ного підсилення використано у даному винаході у збільшенням релятивістського фактору пучка, або, формі двох його модифікацій. А саме, у формі що у даному випадку - із збільшенням частоти вхіпросторово суміщеної та просторово рознесеної. дного сигналу. Перехід на вищі гармоніки вхідного Відповідно, даний пристрій запропоновано у формі сигналу у вихідній секції 9 системи 4 накачки додвох типів конструкційних версій - односекційної і зволяє підвищити частоту вихідного сигналу без багатосекційної (клістронної). У першому випадку зниження коефіцієнту підсилення пристрою. При 13 87750 14 стрій, що працює у такому режимі гармонік, можна показує комп'ютерне моделювання процесу паратрактувати як СЛВЕ-клістрон-підсилювач з переметричного підсилення ХПЗ у робочому об'ємі творенням робочої частоти. підсилювача 5, оптимальним для роботи діапазон Передбачено також і інший варіант роботи частот лежить в міліметровому - нижній частині пристрою у мультигармонічному режимі. У свою субміліметрового діапазонах частот. Із зростанням чергу, тут можна виділити два окремі підваріанти. частоти сигналу (що у випадку лазерів на вільних Перший із них характеризується тим, що, як у виелектронах еквівалентно зростанню релятивістсьще описаних випадках на вхід вхідної секції 8 сиского фактора електронного пучка) коефіцієнт підтеми 4 накачки спрямовують монохроматичний силення робочої ХПЗ у повздовжньому параметелектромагнітний сигнал. В робочому об'ємі підсиричному механізмі різко падає. Як наслідок, вже в лювача 5 комбінаційної електронної хвилі одночаІЧ діапазоні вклад повздовжнього механізму в засно із підсиленням ХПЗ відбувається також і генегальний супергетеродинний коефіцієнті підсилення рація її вищих гармонік. Вихідна секція 9 системи 4 стає незначним. Ідея методу подолання цього технакачки виконана у формі мультигармонічного нологічного утруднення в конструкції, що показана ондулятора, завдяки чому вихідний сигнал у її об'на Фіг.3, полягає у наступному. Первинна модуляємі формується як мультигармонічних. Це ознація електронного пучка (тобто збудження вхідної чає, що вихідний сигнал у реальному часі (резульХПЗ, спільної як для ЛВЕ-йного, так і повздовжтат зворотного перетворення Фур'є) вже не є нього параметричних механізмів) тут, як і у конссінусоподібним, а має складну задану форму знатрукційному варіанті наведеному на Фіг.2, здійскозмінної послідовності імпульсів поля. Керування нюється у вхідній секції накачки 8. Але, на відмінну цієї формою у випадку даного підваріанту здійсвід варіанту на Фіг.2, даний конструкційний варіант нюють за рахунок спеціального підбору Фур'є(що на Фіг.3) призначено для роботи в ІЧспектрів робочих полів ондулятора вихідної секції оптичному діапазоні. Як вже відзначалось, нама9 системи 4 накачки та підсилювача 5 комбінаційгання здійснити ефективне підсилення з допомоної електронної хвилі. У випадку другого підваріагою конструкційного варіанту, що на Фіг.2, виявлянту, як джерело 1 вхідного сигналу, так і ондулятор ється технологічно утрудненим, оскільки перехід у вхідної секції 8 системи 4 накачки виконано за муданий частотний діапазон там означав необхідльтигармонічними схемами. Це означає, що гененість використання суттєво релятивістських електрація мультигармонічної ХПЗ тут відбувається не у ронних пучків. Для уникнення такої перспективи на підсилювачі 5, як у першому випадку, а в об'ємі вхід пристрою направляють слабо релятивістський вхідної секції 8 системи 4 накачки. Це, в свою черелектронний пучок, який формують за допомогою гу, дає ще два додаткові параметри керування частини джерела 2. В робочий об'єм вхідної сисформою вихідного сигналу. А саме, за рахунок теми накачки одночасно вводять електромагнітний форми спектру ондулятора вхідної секції 8 систесигнал (ІЧ-оптичного діапазону). З метою забезпеми 4 накачки та шляхом підбору спектру вхідного чення умови параметричного резонансу вхідну електромагнітного сигналу. Підбираючи спеціальсекцію системи накачки виконують з використанним чином амплітуди гармонік вхідного сигналу, ням однієї із конструкцій з малим періодом ондуондуляторних полів обох накачок та підсилювача ляцій. Це можуть бути як магнітні, так і електромакомбінаційної електронної хвилі, можна, в принцигнітні дрібноперіодні ондулятори (більш детально пі, реалізувати ситуацію, коли принаймні перших про їх конструкції див. в монографії [Т. Маршалл. десять гармонік вихідного сигналу мають приблизЛазеры на свободных электронах. Москва, Мир, но одну і ту ж амплітуду. У такому випадку мульти1987]). Незважаючи на те, що у даному випадку гармонічних вихідний сигнал у реальному часі має така система накачки не здатна забезпечити ефевигляд послідовності дуже вузьких дельтактивне підсилення хвилі сигналу, вона успішно подібних (наприклад, фемтосекундних) знакозмінздатна виконати завдання первинної модуляції них імпульсів. Як відомо, такі імпульси можуть попучка (тобто збудження у ньому вхідної ХПЗ). Збуширюватись в середовищі практично без загасанджену ХПЗ далі підсилюють у підсилювачі 5. Таня, що відкриває для таких мультигармонічних ким чином, на вхід прискорювальної секції 10 поСПЛВЕ широке поле унікальних технологічних дають сильно промодульований за густиною застосувань. Таких, наприклад, як лазерні системи слабо релятивістський пучок, тоді як на її виході для різання масивних злитків металу (слябів на отримують вже пучок із суттєво більшою енергією, металургійних підприємствах), космічні системи який далі направляють в робочий об'єм вихідної для передачі енергії від орбітальних сонячних секції 9 системи накачки. Процес зворотної транселектростанцій на землю тощо. Характерні особформації підсиленої ХПЗ в електромагнітну форму ливості другої групи конструкційних версій багато(тобто, у вихідний сигнал), як і випадку варіанту, секційних СПЛВЕ (СПЛВЕ-клістронів) проілюстрощо на Фіг.2, відбувається у вихідній секції 9 систевано на Фіг.3. Тут, на відміну від версій типу тих, ми 4 накачки за рахунок традиційного для ПЛВЕ що наведені на Фіг.2, у проміжку між підсилювачем параметричного механізму. Оскільки останній є 5 комбінаційної електронної хвилі та вихідною секбагато менш чутливий до релятивізму електронноцією 9 системи 4 накачки розміщено одну (чи кільго пучка, ніж механізм параметричного резонансу ка) прискорювальних секцій 10 джерела 2 релятитрьох повздовжніх хвиль у підсилювачі 5, то коевістського електронного пучка. Це дозволяє фіцієнт підсилення даного СПЛВЕ у варіанті, що суттєво підвищити коефіцієнт підсилення прина Фіг.3, виявляється значно вищим навіть в ІЧ строю, особливо у випадку його роботи в субмілідіапазоні частот сигналу. метровому - ІЧ діапазоні довжин частот. ПоясненТаким чином, використання в СЛВЕ-клістроні ня даного ефекту полягає у наступному. Як наведеному на Фіг.3 конструкційної схеми із про 15 87750 16 міжним прискоренням електронного пучка дозвопідсилювачам. Тут вхідний сигнал в область підляє суттєво змістити робочий діапазон довжин силення надходить від зовнішнього джерела, яке хвиль пристрою в область ІЧ-оптичних частот. входить до складу вхідної частини 1 системи елекКоротко резюмуючи сказане, констатуємо, що потромагнітного сигналу. Підсилення сигналу відбузитивний результат досягнуто, перш за все, тому, вається в режимі «за один прохід». Специфікою що як збудження, так і підсилення комбінаційної багатосекційних (клістронних) конструкційних верХПЗ ІЧ-оптичного діапазону, тут проводять в сласій такого типу (див., наприклад, Фіг.6) є те, що бо релятивістському електронному пучку, де обипісля модуляції електронного пучка в вхідній секції два фізичні механізми виявляються найбільш 8 системи 4 накачки відбувається повне поглинанефективними. В той же час, процес випромінюня вхідного електромагнітного сигналу у системі 17 вання електромагнітного сигналу проводять у випоглинання. Далі в підсилювачі 5 комбінаційної хідній секції накачки у пучку, який має значно біелектронної хвилі сигнал існує лише у формі ХПЗ. льшу енергією електронів, де негативний вплив Зворотна трансформація підсиленої ХПЗ відбуварелятивізму на ефективність взаємодії є значно ється в об'ємі вихідної секції 9 системи 4 накачки. слабшим. За рахунок цього, по-перше, досягаєтьПередбачено, однак, і комбіновані схеми, кося суттєве зростання потужності вихідного сигнали, наприклад одну із частин (вхідна чи вихідна) лу. По-друге, вирішуються головні технологічні 1,6 електродинамічної системи сигналу виконано проблеми, пов'язані із конструюванням вихідної як резонатор, а іншу - як лінзову систему. Відповісекції накачки, оскільки у даному випадку вона вже дно, одна частина такого комбінованого СПЛВЕне є дрібноперіодичною. Робочий діапазон частот клістрону працює як підсилювач, а інша - як генеможе бути розширено ще більше, якщо перейти до ратор. Згідно з винаходом виконання системи 4 використання мультигармонічних конструкцій секнакачки передбачено у формі магнітного ондуляцій 8, 9 системи 4 накачки та підсилювача 5 комбітора, електромагнітного ондулятора та електричнаційної ХПЗ. Головні особливості роботи приладу ного ондулятора (див. Фіг.6-Фіг.8), принципи робоу такому випадку (за виключенням процедури ти яких є добре відомими [Т. Маршалл. Лазеры на проміжного прискорення) виявляються такими ж, свободных электронах. Москва, Мир, 1987]. Окреяк і у випадку конструкційного варіанту, що на мо лише стоїть конструкція СПЛВЕ-клістрону з Фіг.2. нерезонансним модулятором, який складається з Приклади версій, що наведено на Фіг.4 та Фіг.5 бочкоподібного оптичного (квазіоптичного) резонаілюструють дві конструкційні можливості виконантора 18, до якого підключено джерело 19. Особлиня вхідної та вихідної частин 1, 6 електродинамічвість її полягає у тому, що тут нерезонансний моної системи електромагнітного сигналу. У тому дулятор виконує одночасно як роль вхідної числі, у версії, представленій на Фіг.4, вхідну часчастини 1 системи сигналу, так і функції вхідної тину 1 системи електромагнітного сигналу виконасекції 8 системи 4 накачки. Як відзначалось, голоно у формі суцільного дзеркала 11, вихідну частивною функцією вхідної секції 8 системи 4 накачки у ну 6 - напівпрозорого (чи із спеціальним вікном для СПЛВЕ є здійснення модуляції електронного пучка виводу енергії) дзеркала 12. Дзеркала 11, 12 роз(тобто, збудження ХПЗ). У конструкційних версіях, міщено таким чином, що вони утворюють оптичний представлених, наприклад, на Фіг.6, Фіг.8 для цьо(чи квазіоптичний) резонатор для хвилі сигналу. го використовують механізм трихвильового параРезонаторні версії вхідної частини 1 системи сигметричного резонансу, де одною із хвиль є поле налу є характерні для СПЛВЕ-генераторів. У дасистеми накачки (магнітне чи електричне ондуляному випадку у якості вхідного сигналу використоторне поле або поле інтенсивної електромагнітної вують електромагнітні шуми системи «пучокхвилі (електромагнітний ондулятор)). Нерезонансрезонатор» на робочій частоті вихідного сигналу. ний модулятор працює на іншому принципі. Тут Такий шумовий сигнал, поширюючись вздовж елебочкоподібний резонатор 18 розміщено таким чиктронного пучка, який знаходиться у вакуумному ном, що електронний пучок може вільно рухатись каналі 3, підсилюється і далі відбивається послівздовж його повздовжньої осі. Джерело вхідного довно від дзеркал 12 та 11 знову надходить на сигналу 19 збуджує в його робочому об'ємі резовхід системи і знову підсилюється. І так до того натора 18 резонаторне поле, характерною особчасу, поки втрати енергії в системі «резонаторливістю якого є наявність яскраво вираженої попучок» на паразитному та корисному навантаженвздовжньої (тобто, вздовж осі резонатору) нях не зрівняються з енергією, яку отримує сигнал компоненти електричного поля. Під дією цього від електронного пучка за один прохід. поля в електронному пучку збуджуються електроПередбачено, однак, використання резонатонні хвилі. Одна з них - це хвиля вимушених колирних схем і у СПЛВЕ-підсилювачах, особливо у вань, інші - власні хвилі електронного пучка, у товипадках, коли застосовують конструкційні версії му числі, повільна та швидка. Хвиля вимушених багатосекційних СПЛВЕ (СПЛВЕ-клістронів) (див. коливань, згідно з її природою, існує тільки на відФіг.3, Фіг.4). При цьому резонаторну конструкцію різку електронного пучка, що проходить резонатор можуть мати як вхідна частина 1 електродинаміч18 і за його межами вона згасає. Таким чином, ної системи електромагнітного сигналу, так і вихідалі (в робочий об'єм підсилювача 5 комбінаційної дна частина 6. електронної хвилі) надходить електронний пучок, у У конструкційних версіях, представлених на якому існують власні електронні хвилі. Одна з них Фіг.5 та Фіг.6, обидві частини 1,6 системи електро(повільна електронна хвиля) вступає у параметримагнітного сигналу виконано у формі оптичних чно-резонансну взаємодію з полем повздовжнього (квазіоптичних) лінз 13, 14, відповідно. Такі версії, ондулятора підсилювача 5, в результаті чого вона головним чином, притаманні СПЛВЕпідсилюється. 17 87750 18 Принципи дії конструкційних варіантів підсикої вторинної обмотки, роль яких виконують частилювача 5 комбінаційної електронної хвилі, навени 31 екранів 30, які охоплюють електронний пучок дених на Фіг.9-Фіг.11 не відрізняються за фізичною 22. суттю. Відмінність полягає лише у методі формуГоловна відмінність у принципах дії конструквання у робочому об'ємі електронного пучка 22. ційних варіантів, наведених на Фіг.10 та Фіг.11, Так у конструкціях, що на Фіг.9 та Фіг.11 повздовжпов'язані лише з формою екранів 30. У випадку, нє ондуляторне електричне поле 27 створюється який проілюстровано на Фіг.10 вся конструкція має за рахунок різниці потенціалів між парами сусідніх усього один екран 30, причому такий, що не має електродів 25 чи частинами 31 сусідніх секцій еквнутрішніх частин у області взаємодії електроннорану 30. Оскільки знаки потенціалів на кожній парі го пучка 22. Кожен із індукторів (або груп індуктотаких електродів є взаємно протилежними, а елекрів) 29 підключено до джерела електричного висотроди «через один» мають однаковий потенціал, кочастотного струму таким чином, що напрямки то і електричне поле сформоване в об'ємі електциркуляції вихрового електричного поля 28 кожної ронного пучка 22 такою системою електродів тапари індукторів (див. силові лінії вихрового електкож виявляється періодично знакозмінним, тобто, ричного поля 28) виявляються взаємно протилежповздовжньо-ондуляторним. Принципова відмінними. Як наслідок, загальне вихрове електричне ність у принципі дії конструкційних версій, що на поле 28, яке генерує така система індукторів 29 в Фіг.9 та Фіг.11, стосується лише способу створенробочому об'ємі електронного пучка 22 виявляєтьня вище згаданої різниці потенціалів. А саме, в ся повздовжньо-ондуляторним. випадку наведеному на Фіг.9 ця різниця створюВинахід дозволяє використовувати його як ється за рахунок підключення пар електродів до джерела потужного лазерного випромінювання, якогось зовнішнього високовольтного джерела що характеризується помірними габаритами та напруги (наприклад, до каскадного високовольтновідносними простотою конструкції і пониженою го джерела). У випадку ж, що наведено на Фіг.11 вартістю виготовлення та експлуатації, тобто, техвикористано трансформаторний (індукційний) менологічною та комерційною адекватністю умовам, тод створення високовольтної різниці потенціалів. що є характерними для цивільних галузей індустТут імпульсне сильнострумове джерело живлення рії, таких наприклад, як хімічна промисловість чи підключено до первинних обмоток магнітних індукмашинобудування. торів 29. Екран 30 у даному випадку служить як Таким чином, заявлений електронний стериліодновиткова вторинна обмотка трансформатора. затор відповідає критерію патентоспроможності Відповідно, різниця високочастотних потенціалів "Промислова придатність". виникає між електрично розімкнутими кінцями та 19 87750 20 21 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 87750 Підписне 22 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601