Лазер на вільних електронах

Изобретение относится к релятивистской электронике и может быть использовано в качестве генератора импульсного электромагнитного излучения, перестраиваемого по частоте от миллиметрового до ультрафиолетового диапазонов. Известен лазер на свободных электронах (ЛСЭ) [1], содержащий соосно расположенные электроннооптическую систему с электронной пушкой и коллектором, резонатор, пространство взаимодействия и систему накачки, ускорительную трубку. Такой ЛСЭ имеет естественный предел КПД, т.к. каждое последующее доускорение электронов пучка требует нарастающей разности потенциалов электростатического поля вдоль области взаимодействия и ограничивается напряжением межэлектродного пробоя. Размеры ускоряющего зазора ограничены вследствие электростатической расфокусировки пучка в такой электрической линзе. Малая величина зазора требует, в свою очередь, увеличения напряженности электрического поля для того, чтобы обеспечить необходимое ускорение частиц. Присутствие в области взаимодействия ускоряющих колец вызывает конструктивные трудности, связанные с развязкой их по постоянному току при одновременном выполнении условий непрерывности области взаимодействия по ВЧ-полю. В качестве прототипа выбран лазер на свободных электронах (2), включающий электронную пушку, входн ую магнитную поворотную систему, секции группировки и отбора энергии, выходную магнитную поворотную систему, коллектор электронов, расположенные по ходу электронного пучка и зеркальный резонатор. К недостаткам данного ЛСЭ следует отнести возможность межэлектродного пробоя в системе электростатической накачки, трудности с развязкой по постоянному току и непрерывности по ВЧ-полю при реализации каскадного усиления, т.е. при транспортировке ВЧ-сигнала через кольца электростатической системы, а также невозможность перестройки ЛСЭ по частоте вследствие фиксированного положения колец системы электростатической накачки. Это ограничивает мощность выходного излучения и коэффициент полезного действия лазера. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования лазера на свободных электронах за счет того, что низкоэнергетический электронный пучок группируется, ускоряется и отдает кинетическую анергию движения, преобразуемую в излучение, причем эти процессы повторяются, что обеспечивает повышение мощности выходного излучения и за счет этого повышение коэффициента полезного действия лазера. Поставленная задача решается тем, что в лазере на свободных электронах, содержащем электронную пушку, входн ую магнитную поворотную систему, секции группировки и отбора энергии, выходную магнитную поворотную систему, коллектор электронов, расположенных по ходу электронного пучка и зеркальный резонатор, согласно изобретению, дополнительно введена ускорительная секция, расположенная между секциями группировки и отбора энергии. В лазер на свободных электронах дополнительно введены h ³ 1 блоков секций, состоящих из секций группировки и отбора энергии с расположенной между ними ускорительной секцией. Повторение процессов группировки, доускорения и отбора энергии во второй, третьей и т.д. секциях лазера на свободных электронах обеспечивает повышение мощности излучения и коэффициента полезного действия. ЛСЭ содержит электронную пушку 1, входную магнитную поворотную систему 2, секции группировки электронов 3, ускорительные секции 4, секции отбора энергии 5, выходную магнитную поворотную систему 6, коллектор электронов 7, расположенные по ходу электронного пучка, зеркальный резонатор, образованный непрозрачным подвижным зеркалом 8, перемещаемым с помощью сельсина 9 и неподвижным полупрозрачным зеркалом 10, расположенным соосно с секциями группировки отбора. ЛСЭ работает следующим образом. Низкоэнергетичный электронный пучок, создаваемый электронной пушкой 1, с помощью входной магнитной поворотной системы 2, вводится в резонатор, образованный зеркалами 8, 10. Запуская сельсин 9, связанный с подвижным зеркалом 8, перемещают зеркало 8 и устанавливают резонансную длину резонатора. Электронный пучок направляется в первую секцию группировки 3, где электроны взаимодействуют с электромагнитным полем накачки и полем шума зеркального резонатора 8, 10. В результате взаимодействия с электромагнитным полем комбинационной волны пучок модулируется по скорости и плотности электронов. Затем слабо промодулированный пучок поступает в область дрейфа ускорительной секции 4, где ускоряется индукционным способом до заданной энергии. При этом сгустки догруппировываются, а разброс s скоростей электронов где n - число электронов в сгустке, b i = Vi / c - из безразмерные скорости, С - скорость света. Величина разброса скоростей электронов при ускорении снижается на два порядка. Далее сгруппированные электронные сгустки с малым разбросом по скоростям поступают в секцию отбора энергии 5, где в магнитостатическом поле и поле зеркального резонатора отдают свою кинематическую энергию ВЧ-полю зеркального резонатора. При этом пучок разгруппировывается. Затем разгруппированный пучок поступает во вторую секцию группировки 3, где повторно группируется под действием магнитостатического и ВЧполя резонатора, вновь ускоряется во второй ускорительной секции 4 и отдает кинетическую энергию во второй секции отбора 5. Электронный пучок проходит n блоков. Затем отработанный электронный пучок с помощью магнитной поворотной системы 6 выводится из пространства взаимодействия ЛСЭ и осаждается на коллекторе 7. Длина секции группировки (секции отбора) и длина резонатора, настраиваемого на соответствующую частоту излучения, связаны условиями синхронизма где Ù гр - период электромагнитного поля накачки в секции группировки, Ù от - период магнитостатического поля секции отбора, Dwгр. от - расстройка частоты. Скорость электронов является функцией напряженности поля ( ) накачки b = b Н гр. от . С помощью варьирования амплитуды поля накачки в секциях группировки обеспечивается нулевая расстойка фазовой скорости комбинационной волны скорости электронного пучка, а в секции отбора энергии - оптимальная для отбора энергии от пучка величина расстройки. При этом скорость нарастания энергетического разброса пучка значительно меньше, чем скорость нарастания энергетических потерь, а увеличение глубины потенциальной ямы (площади "бакета"), в которой локализованы сгустки в результате нарастания амплитуды волны излучения в резонаторе, приводит к усилению эффекта захвата электронов полем комбинационной волны.