Метод за усилване на електромагнитно излъчване
Изобретението се отнася до релативистичната микровълнова електроника и може да се използва в лазери на свободни електрони (FEL).
Недостатъците на този метод са външното фазиране на електроните от поле със същата честота, което се възбужда или усилва, както и липсата на оптимално фазиране на електронния поток.
Известен метод за усилване и генериране на късовълнова радиация в устройства като scattron. Методът се основава на стимулирано разсейване на вълни от електронен лъч, който е в циклотронен резонанс както със сигналната вълна, така и с вълната на помпата.
Недостатъците на този метод са изпомпването на осцилаторна енергия в електронния лъч директно в пространството на взаимодействие, което води до конкуренция между циклотронно поглъщане и усилване на сигналната вълна, както и относително ниска ефективност.
По този начин известните методи за усилване на електромагнитното излъчване не използват изпомпването на напречния импулс на електронния лъч от относително нискочестотна вълна в комбинация с условието за пълно предаване на кинетичната енергия на лъча към сигналната вълна. В този случай честотата на сигналната вълна може да надвишава честотата на помпащата вълна няколко пъти при постоянна стойност на водещото магнитно поле.
Техническият резултат от изобретението се състои в използването на релативистични електронни лъчи за пълно предаване на тяхната кинетична енергия към усилената високочестотна вълна.
Методът за усилване на електромагнитна вълна включва следната последователност от операции.
Предложеният метод може да бъде приложен в устройства с различни конструкции, различаващи се по конфигурацията на пространството за взаимодействие, устройства за въвеждане на изход на радиация.
Чертежът показва устройство, което реализира предложения метод.
Устройството се състои от източникелектрони 1, излъчващи директен електронен лъч 2, вакуумиран вълновод 3, генератор 4 на противоположна вълна, генератор 5 на преминаваща вълна, фазов превключвател 6, насочени съединители 7-9, съгласуван товар 10 и 11, електронен колектор 12 и соленоид 13.
Устройството работи по следния начин.
Електронният източник 1 излъчва директен ((p1=0)0) моноенергиен електронен лъч, който навлиза в първата секция на пространството на взаимодействие. TEM вълна с честота 1 се въвежда в същата секция чрез насочен съединител 8 от генератора 4, разпространявайки се към лъча (срещу оста z) към самосъгласувания товар 10.
Bo=Y, Y= 1 (+Pz).
Използва се системата от единици, при която скоростта на светлината, зарядът и масата на електрона се приемат равни на единица.
В даденото полево приближение решението на уравнението на движение за P и Рz в зависимост от фазата на насрещната вълна = (t+z) има формата P= A1 Pz= Pzo- 2 1 където А1 е амплитудата на векторния потенциал.
По този начин изпомпването на напречния импулс в първия участък е придружено от намаляване на надлъжния импулс с общо увеличение на енергията на частицата + A1- + .
Дължината на първия участък L1 е избрана така, че на изхода на участъка да се реализира определено съотношение между напречните и надлъжните импулси P1= Това съотношение между импулсите ще бъде постигнато с фазова стойност 1= В този случай P1= P1Z= 1= 1+ 1 + P1Z.
Тези стойности на импулс и енергия се придобиват от електрони по дължината на пространството на взаимодействие L1= P След това лъчът навлиза във втората секция на пространството на взаимодействие, където взаимодейства със съпътстващата TEM вълна с честота 2 и амплитуда A2, която се излъчва от генератор 5 и се въвежда в пространството на взаимодействие чрез насочен съединител 7. Съгласувано натоварване 11служи за защита на първата секция от вълна с честота 2, а втората секция от вълна с честота 1.
Y= 2( 1- P1z)=Bo Тъй като водещото магнитно поле Bo е едно и също за двете секции, честотите 1 и 2 са свързани с проста връзка 2=1(+Pzo).
При навлизане във втория участък всички електрони на лъча имат еднаква фаза по отношение на преминаващата вълна. С помощта на фазорегулатора 6 фазата на вълната по отношение на частиците се настройва равна на т.е. електроните се забавят от преминаващата вълна, усилвайки я. За опашната вълна, за разлика от настъпващата вълна, знаците на промяна на P и Рz съвпадат P= P1-A2, Pz= + (P1-A2).
Забавянето на частиците ще продължи, докато напречният импулс на електроните изчезне. Това ще се случи при определена фазова стойност 2= . Надлъжният компонент на импулса в този момент ще се превърне в нула, ако Y= 2(1-P1z)=2. Това означава, че на входа на втория участък от пространството на взаимодействие за електрони е изпълнено условието за пълно спиране 1= 1+P1z, следователно всяка частица ще прехвърли цялата си кинетична енергия на вълната по дължината L2 1-1 L2= .
Усилената преминаваща вълна се извежда през насочен съединител 9 и електронният лъч се отлага върху колектора 12.
Нека дадем някои числени параметри, характеризиращи работата на устройството, като избираме от технически усвоен диапазон от стойности.
Нека Рz0=3 ( 0=3,16), 1=5 . 10 10 s -1 (13,8 cm), A1=1,8. 10 -2 (E1=3 .. 10 6 V/m). Магнитното поле, необходимо за осигуряване на резонанс, Bo = 1,75 T. Необходимата дължина на първия участък от пространството на взаимодействие е L1=35 см. На входа на втория участък енергията на частицата нараства до стойност 1=3,58. В този случай компонентите на импулса на частицата ще бъдат P1= 2,27; P1Z= 2,58.
Във втория участък частиците ще бъдат в резонанс с честотната вълна 2=3.1.10 11 s - 1 (2=0,1 cm), т.е. енергията на относително нискочестотна вълна се нагнетява в излъчване на вълна с честота 6 пъти по-висока. С амплитуда на сигналната вълна А2= 1.8. 10 -3 (E2=3,105 V/m) всяка частица напълно ще отдаде цялата си кинетична енергия =2,58 при дължина L2=106 cm.
Изобретението може да се използва в лазери на свободни електрони. Тя ви позволява да преобразувате изследването на нискочестотни вълни в излъчване на високочестотни милиметрови и субмилиметрови вълни. Друго предимство е, че практически спрените електрони се събират върху колектора, което елиминира проблема с разсейването на остатъчната кинетична енергия на лъча.