Спосіб посилення електромагнітного випромінювання
Винахід відноситься до релятивістської НВЧ-електроніки і може бути використане лазерами на вільних електронах (ЛСЕ).
Недоліками способу є зовнішнє фазування електронів полем тієї ж частоти, яке збуджується або посилюється, а також відсутність оптимального фазування електронного потоку.
Відомий спосіб посилення та генерації короткохвильового випромінювання в пристроях типу скаттрон. Спосіб заснований на вимушеному розсіюванні хвиль електронним потоком, що знаходиться в циклотронному резонансі як з сигнальною хвилею, так і з хвилею накачування.
Недоліками способу є накачування осциляторної енергії в електронний пучок безпосередньо у просторі взаємодії, що призводить до конкуренції циклотронного поглинання та посилення сигнальної хвилі, а також порівняно низький ККД.
Таким чином, відомі способи посилення електромагнітного випромінювання не використовують накачування поперечного імпульсу електронного пучка порівняно низькочастотною хвилею в поєднанні з умовою повної передачі кінетичної енергії пучка сигнальної хвилі. У цьому частота сигнальної хвилі може перевищити частоту хвилі накачування кілька разів за постійному значенні напрямного магнітного поля.
Технічний результат винаходу полягає у використанні релятивістських електронних пучків для повної передачі їх кінетичної енергії посилюється високочастотної хвилі.
Спосіб посилення електромагнітної хвилі включає наступну послідовність операцій.
Запропонований спосіб може бути реалізований у пристроях різної конструкції, що відрізняються конфігурацією простору взаємодії, пристроями введення виведення випромінювання.
На кресленні показано пристрій, що реалізує запропонований спосіб.
Пристрій складається з джерелаелектронів 1, що випромінює прямий електронний пучок 2, вакуумованого хвилеводу 3, генератора 4 зустрічної хвилі, генератора 5 попутної хвилі, фазообертача 6, спрямованих відгалужувачів 7-9, узгодженого навантаження 10 і 11, колектора електронів 12 і соленоїда 13.
Пристрій працює наступним чином.
Джерело електронів 1 емітує прямий ((p1=0)0) моноенергетичний пучок електронів, що входить у першу секцію простору взаємодії. У цю ж секцію через спрямований відгалужувач 8 від генератора 4 вводиться хвиля ТЕМ частоти 1, що поширюється назустріч пучку (проти осі z) до самоузгодженої навантаження 10.
У = Y, Y = 1 (+ Pz).
Використовується система одиниць, у якій швидкість світла, заряд та маса електрона прийняті рівними одиниці.
У наближенні заданого поля рішення рівняння руху P і Рz залежно від фази зустрічної хвилі = (t+z) має вигляд P= A1 Pz= Pzo- 2 1 де А1 амплітуда векторного потенціалу.
Таким чином, накачування поперечного імпульсу в першій секції супроводжується зменшенням поздовжнього імпульсу при загальному зростанні енергії частки + A1- + .
Довжина першої секції L1 вибирається з тих міркувань, щоб на виході секції реалізовувалося певне співвідношення між поперечним і поздовжнім імпульсом P1 Це співвідношення між імпульсами буде досягнуто при значенні фази 1 = При цьому .
Дані значення імпульсу та енергії набуваються електронами на довжині простору взаємодії L1= P Після цього пучок входить до другої секції простору взаємодії, де взаємодіють з попутною ТЕМ хвилею частоти 2 і амплітуди А2, яка випромінюється генератором 5 і вводиться в простір взаємодії через спрямований відгалужувач 7. Узгоджене навантаження 11служить у тому щоб убезпечити першу секцію від хвилі частоти 2, а другу секцію від хвилі з частотою 1.
Y= 2( 1- P1z)=Bo Оскільки напрямне магнітне поле У однаково для обох секцій, частоти 1 і 2 пов'язані простим співвідношенням 2=1(+Pzo).
При вході в другу секцію всі електрони пучка мають однакову фазу по відношенню до попутної хвилі. За допомогою фазообертача 6 встановлюється фаза хвилі по відношенню до частинок рівної тобто. електрони гальмуються попутною хвилею, посилюючи її. Для попутної хвилі на відміну від зустрічної знаки зміни для P і Рz збігаються P = P1-A2, Pz = + (P1-A2).
Гальмування частинок відбуватиметься до тих пір, поки поперечний імпульс електронів не перетвориться на нуль. Це станеться за певного значення фази 2= . Поздовжня компонента імпульсу в цей момент перетвориться на нуль, якщо Y= 2(1-P1z)=2. Це означає, що на вході в другу секцію простору взаємодії для електронів виконано умову повної зупинки 1= 1+P1z, отже кожна частка передасть хвилі всю свою кінетичну енергію на довжині L2 1-1 L2= .
Посилена попутна хвиля виводиться через спрямований відгалужувач 9, а електронний пучок осідає на колекторі 12.
Наведемо деякі числові параметри, що характеризують роботу пристрою, вибираючи з технічно освоєної області значень.
Нехай Рz0 = 3 (0 = 3,16), 1 = 5 . 10 10 c -1 (13,8 см), А1 = 1,8. 10 -2 (Е1 = 3 .. 10 6 В / м). Магнітне поле, необхідне забезпечення резонансу, В=1,75 Тл. Необхідна довжина першої секції простору взаємодії L1=35 см. На вході у другу секцію енергія частинок зростає значення 1=3,58. При цьому компоненти імпульсу частинок складуть P1 = 227; P1Z = 2,58.
У другій секції частинки будуть у резонансі з хвилею частоти 2 = 3,1.10 11 c - 1 (2 = 0,1 див), тобто. енергія порівняно низькочастотної хвилі перекачується у випромінювання хвилі із частотою у 6 разів більше. При амплітуді сигнальної хвилі А2 = 1,8. 10 -3 (Е2=3 . 10 5 В/м) кожна частка повністю віддасть всю свою кінетичну енергію =2,58 на довжині L2=106 див.
Винахід може бути використаний у лазерах на вільних електронах. Воно дозволяє перетворювати вивчення низькочастотних хвиль у випромінювання високочастотних міліметрових та субміліметрових хвиль. Достоїнством є також те, що на колекторі збираються електрони, що практично зупинилися, що знімає проблему розсіювання залишкової кінетичної енергії пучка.