МНОГОЛУЧЕВОЙ ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ЭШЕЛЕТТРОН

August 1, 2012 by admin Комментировать »

А. Я. Белуха, В. Д. Ерёмка, А. И. Фисун Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова Национальной Академии наук Украины 310085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12 E-mail: eremka@ire.kharkov.ua

Аннотация В сообщении представлены результаты экспериментального исследования лазера на свободных электронах эшелеттрона миллиметрового диапазона волн с двухзеркальным сферо-уголково-эшелеттным открытым резонатором, который возбуждается тремя ленточными электронными потоками. Показано, что такой генератор непрерывного действия обеспечивает в 5-миллиметровом диапазоне длин волн мощность более 10 Вт и существенное разрежение спектра колебаний.

I.    Введение

Традиционные вакуумные источники миллиметровых волн (клистроны, магнетроны, ЛБВ и др.) становятся неэффективными, когда длина волны излучения приближается к субмиллиметровому диапазону [1]. Это обусловлено тем, что принципы их действия и построения имеют частотные ограничения. В частности, большую роль играют трудности при решении проблем, связанных с уменьшением геометрических размеров и расстояний, а также с ужесточением допусков на эти размеры при укорочении длины волны. Сильно возрастают плотность тока в электронных потоках и трудности отвода тепла от мелкоструктурных элементов ламп.

Эти ограничения стимулируют поиск новых принципов построения устройств, которые пригодны для эффективного генерирования миллиметровых и субмиллиметровых волн. В процессе разработки и исследований источников электромагнитного излучения с пространственно развитыми электродинамическими системами оротронов, генераторов дифракционного излучения (ГДИ), ледатронов для решения проблем, возникающих при освоении коротковолновых диапазонов, в конце XX века родилось новое перспективное направление развития вакуумной электроники коротковолновых диапазонов лазеры на свободных электронах. Оротроны, ГДИ и им подобные источники миллиметровых и субмиллиметровых волн относят к подклассу лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) на эффекте дифракционного излучения [2-5].

Физика процессов возбуждения пространственно развитых электродинамических систем (открытых резонаторов с регулярными и нерегулярными периодическими структурами) с помощью пространственно развитых электронных потоков (многолучевых и трубчатых) недостаточно изучена [6]. Исследования в этом направлении являются целесообразными и актуальными. Следует отметить, что спектр частот открытых резонаторов приборов типа оротрон, ГДИ, ледатрон недостаточно разрежен. Поэтому в источниках электромагнитного излучения коротковолновых диапазонов с пространственно развитыми электродинамическими системами для подавления конкурирующих типов колебаний применяют специальные способы селекции [7-9].

Ниже представлены первые результаты экспериментального исследования процессов возбуждения трехлучевым электронным потоком нетрадиционного высокоселективного двухзеркального открытого резонатора в новой лампе многолучевом ЛСЭ эшелеттроне миллиметрового диапазона волн [9].

II.  Основная часть

2.1.  Свойства открытого резонатора эшелеттрона

Особенностью, которая отличает эшелеттроны от других ЛСЭ на эффекте дифракционного излучения с двухзеркальным открытым резонатором, является форма рабочих поверхностей зеркал. Эшелеттрон многолучевой вакуумный генератор мм и субмм волн с ОР, обеспечивающим повышение стабильности частоты и разрежение спектра электромагнитных колебаний как по продольным, так по поперечным типам [7-9].

Открытый резонатор многолучевого ЛСЭэшелеттрона содержит одно зеркало со сферической рабочей поверхностью и волноводным устройством для вывода высокочастотной энергии. Второе зеркало образовано двумя решетками эшелеттами, расположенными под углами 45 0 к оси ОР. В теле грани, расположенной в вершине угла и смежных с ней гранях, расположены пространства взаимодействия ленточных электронных лучей с электромагнитным полем (рис. 1). На рис.2 показан внешний вид резонаторной системы трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона. Компьютерное моделирование процессов в ОР эшелеттрона показывает, что такие системы кроме селектирующих свойств, обеспечивающих разрежение спектра, обладают фокусирующими свойствами (рис.З) [7]. Моделирование колебательной системы эшелеттрона проведено в интервале длин волн от

5,5   мм до 8,5 мм. Апертура сферического и уголковоэшелеттного зеркал модели ОР равны 2а = 90 мм, высота ступеньки эшелетта h = 2,4 мм. Радиус кривизны сферического зеркала R = 110 мм. Расстояние между зеркалами модели L = 42 мм. Расчет зависимости частоты колебаний на основном типе TEM00q от расстояния между зеркалами ОР осуществлялся по формуле справедливой для эквивалентного полусферического OP : f = С q arccos ( 1 L / R ) /2/L , где q-продольный индекс, с-скорость света.

Исследование спектров колебаний резонатора с эшелеттами показало, что существует интервал частот, где спектр колебаний существенно разрежен как по продольным, так и по поперечным типам колебаний. Для Е-поляризации ( вектор Е перпендикулярен плоскости рисунка ) участок максимального разрежения спектра сферо-уголково-эшелетного ОР находится в длинноволновой области. Для Нполяризованного излучения участок разрежения смещается в сторону увеличения частоты.

Колебательная система исследуемого эшелеттрона снабжена механизмом механической перестройки частоты путем изменения расстояния между зеркалами (рис.2). В другом варианте выполнения конструкции электродинамической системы ЛСЭ-эшелеттрона изменение расстояния между зеркалами ОР осуществляется с помощью пьезоэлектрического движителя.

В экспериментальной " горячей " модели трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона апертуры зеркал составляют 2а=10Я , расстояние между зеркалами L=10/l, где /I длина волны генерируемого сигнала.

Рис. 2. Внешний вид электродинамической системы ПСЭ эшелеттрона:

а) вид со стороны двух каналов для пучков;

б) вид со стороны одного канала для пучка

Fig. 2. The appearance the electrodynamic system of the three-beam FEL-echelettron:

a)                                         as viewed from two channels for beams,

b)                                         as viewed from one channel for a beam

Рис. 1. Схема трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона. 1, 2, 3 -электронные пушки Fig.1. Diagram of a three-beam FEL-echelettron. 1, 2, 3, electron gun

2.2. Результаты измерений

В экспериментальном макете трехлучевого ЛСЭэшелеттрона (рис.2) каналы для электронных лучей разнесены в пространстве и взаимодействие между ними осуществляется через поле ОР. Исследован эффект сложения мощностей, отдаваемых каждым электронным лучом полю резонатора. На рис. 4 представлена зависимость выходной мощности однолучевого, двухлучевого и трехлучевого ЛСЭэшелеттрона от рабочего тока прибора. Видно, что выходная мощность трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона больше, чем мощность двухлучевого и однолучевого прибора при равных рабочих токах и напряжениях. Это обусловлено возрастанием эффективности взаимодействия электронов и волн с многолучевым электронным потоком, усилением в режиме синхронизации. Выходная мощность лабораторного макета ЛСЭ-эшелеттрона при рабочем токе 1р= 96 мА, ускоряющем напряжении 2,5 кВ, зарегистрированная для

Fig. 3. Distribution of HF-field linear component in the FEL-echelettron cavity (computer-simulated fields)

Рис. 3. Распределение магнитной компоненты ВЧ -поля в резонаторе эшелеттрона (расчет)

Puc. 4. Зависимость выходной мощности P/P max =f Op) однолучевого, двухлучевого и трехлучевого эшелеттрона от рабочего тока

Fig. 4. The output power P/Pmax =f (lp) of a single-beam, two-beam and three-beam FEL-echelettrons as a function ofthe operating current

однолучевого потока, примерно на 25 % меньше, чем для трехлучевого потока с таким же рабочим током. При этом магнитное поле, необходимое для сопровождения трехлучевого электронного потока уменьшается и с небольшой погрешностью его можно описать соотношением BN =.В1/у[ы , где N = 3 (число ленточных пучков). Уменьшение магнитного поля обусловлено уменьшением действия сил объемного заряда в каждом из трех пучков. При определенной настройке открытого резонатора ЛСЭ-эшелеттрона и одном и том же ускоряющем напряжении на каждом из трех пучков на выходе генератора можно наблюдать трехчастотный сигнал. Для объяснения этого наблюдения мы намерены провести измерения энергетических и частотных характеристик на других макетах трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона с тщательным контролем геометрических размеров периодических структур и зеркал его резонатора. Нагруженная добротность открытого резонатора ЛСЭ-эшелет-трона

составляет Q= 2 10^. Исследовалась возможность обеспечения перестройки резонансной частоты открытого резонатора ЛСЭ-эшелеттрона за счет изменения расстояния между зеркалами с помощью пьезоэлектрического движителя. Такой механизм обеспечивает безынерционную перестройку частоты по линейному закону в полосе 0,5%.

Разработан и исследуется лабораторный макет трехлучевого ЛСЭ-эшелеттрона генератора миллиметровых волн Показана возможность генерирования трехлучевым электронным потоком средних уровней мощности в 5-миллиметровом диапазоне длин волн при ускоряющем напряжении и магнитном поле более низких, чем в случае прибора с однолучевым потоком при прочих равных условиях.

IV.  Список литературы

1. Девятков Н. Д., Голант М. Б. Пути развития электронных приборов мм и субмм диапазонов длин волн// РЭ, 1967, Т.11, №11.-С.1973-2004.

2.  А.с. №195557 (СССР). Электронный прибор для генерации и усиления колебаний мм и субмм диапазонов волн / Русин Ф. С., Богомолов Г. Д.,1965 г.

3.  Шестопалов В. П. Дифракционная электроника. Харьков. Изд." Высшая школа при Харьковском Госуниверситете. 1976. 231 с.

4.  Шестопалов В. П. Физические ocHoei миллиметровой и субмиллиметровой техники . Т.2 Источники, Элементная база. Радиосистемы. Киев: Наук, думка. 1985, 256 с.

5.  Mizuno К., Ono S. The Ledatron. // In " Infrared and Millimeter Waves. Vol.1. Sources of Radiation" (K. J. Button ed.), pp. 213-234. Academic Press. N.Y.(1979).

6.  Еремка В. Д. Генерирование и усиление миллиметровых волн многолучевыми и трубчатыми электронными потоками. // 5-я Крымская конференция " СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии ". Материалы конференции. Севастополь. Крым. Украина. Т.1. –

7.  Belukha А. Уа., Bulgakov В. М., Yeremka V. D., et. al. Echelettron source of millimeter wave with High Quality Spektrum.// Proc. SPIE vol. 1539. p. 9-10. (1991).

8.  Белуха А. Я, Еремка В. Д., Фисун А. И., Фурсов А. М. Многолучевой эшелеттрон -источник мм радиоволн средней мощности с высоким качеством спектра для экологических исследований. // 2-я Крымская конференция " СВЧ-техника и спутниковый прием ". Материалы конференции.Севастополь. 1992.-576 с.

9.  Патент Украши “Резонансний генератор електромагнтних коливань ешелеттрон» / Бтуха О.Я., Срьомка

В.     Д., Фюун А. I. 2002 г.

MULTIBEAM FREE-ELECTRON LASERECHELETTRON

A.  Ya. Belukha, V. D. Yeryomka, A. I. Fisun Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine

12,         Ac. Proscura St, Kharkiv, 61085, Ukraine fax: 0572-441105 E-mail: eremka@ire.kharkov.ua

Abstract The results of the investigation in the freeelectron laser based on the diffraction radiation effect with a two-mirror spherical-cornered-echellette resonator and three electron beams a multibeam echelettron are presented. This type of device is intended to generate the тт-and sub-mm wave EM radiation with high spectrum quality. The first results of the experimental studies suggested that this oscillator offers the EM oscillation power of more than 10 W at the 5-mm wavelength in the continuous mode, at voltage about 2 kV and the operating current of -0,1 A, with a substantially sparse spectrum.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты