А. Я. Білуха, В. Д. Еремко, А. І. Фісун Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова Національної Академії наук України 310085, Харків, вул. Ак. Проскури, 12 E-mail: eremka@ire.kharkov.ua

Анотація У повідомленні представлені результати експериментального дослідження лазера на вільних електронах ешелеттрона міліметрового діапазону хвиль з дводзеркальні сферо-кутикової-ешелеттним відкритим резонатором, який збуджується трьома стрічковими електронними потоками. Показано, що такий генератор безперервної дії забезпечує в 5-міліметровому діапазоні довжин хвиль потужність понад 10 Вт і суттєве розрідження спектра коливань.

I. Вступ

Традиційні вакуумні джерела міліметрових хвиль (клістрони, магнетрони, ЛБВ тощо) стають неефективними, коли довжина хвилі випромінювання наближається до субміліметровому діапазоні [1]. Це обумовлено тим, що принципи їх дії та побудови мають частотні обмеження. Зокрема, велику роль відіграють труднощі при вирішенні проблем, пов’язаних зі зменшенням геометричних розмірів і відстаней, а також з жорсткістю допусків на ці розміри при вкороченні довжини хвилі. Сильно зростають щільність струму в електронних потоках і труднощі відводу тепла від дрібноструктурних елементів ламп.

Ці обмеження стимулюють пошук нових принципів побудови пристроїв, які придатні для ефективного генерування міліметрових і субміліметрових хвиль. В процесі розробки і досліджень джерел електромагнітного випромінювання з просторово розвиненими електродинамічними системами оротронов, генераторів дифракційного випромінювання (ГДВ), ледатронов для вирішення проблем, що виникають при освоєнні короткохвильових діапазонів, в кінці XX століття народився новий перспективний напрямок розвитку вакуумної електроніки короткохвильових діапазонів лазери на вільних електронах. Оротрони, ГДВ і їм подібні джерела міліметрових і субміліметрових хвиль відносять до підкласу лазерів на вільних електронах (ЛСЕ) на ефекті дифракційного випромінювання [2-5].

Фізика процесів збудження просторово розвинених електродинамічних систем (відкритих резонаторів з регулярними і нерегулярними періодичними структурами) за допомогою просторово розвинених електронних потоків (багатопроменевих і трубчастих) недостатньо вивчена [6]. Дослідження в цьому напрямку є доцільними та актуальними. Слід зазначити, що спектр частот відкритих резонаторів приладів типу оротрон, ГДВ, ледатрон недостатньо розріджене. Тому в джерелах електромагнітного випромінювання короткохвильових діапазонів з просторово розвиненими електродинамічними системами для придушення конкуруючих типів коливань застосовують спеціальні способи селекції [7-9].

Нижче представлені перші результати експериментального дослідження процесів збудження трьохпроменевою електронним потоком нетрадиційного високоселективного двухзеркальной відкритого резонатора в новій лампі багатопроменевому ЛСЕ ешелеттроне міліметрового діапазону хвиль [9].

II. Основна частина

2.1. Властивості відкритого резонатора ешелеттрона

Особливістю, яка відрізняє ешелеттрони від інших ЛСЕ на ефекті дифракційного випромінювання з дводзеркальні відкритим резонатором, є форма робочих поверхонь дзеркал. Ешелеттрон багатопроменевої вакуумний генератор мм і субмм хвиль з ОР, що забезпечує підвищення стабільності частоти і розрідження спектра електромагнітних коливань як по поздовжніх, так по поперечним типам [7-9].

Відкритий резонатор багатопроменевого ЛСЕешелеттрона містить одне дзеркало зі сферичною робочою поверхнею і хвилеводним пристроєм для виведення високочастотної енергії. Друге дзеркало утворено двома гратами ешелеттамі, розташованими під кутами 45 0 до осі ОР. У тілі грані, розташованої у вершині кута і суміжних з нею гранях, розташовані простору взаємодії стрічкових електронних променів з електромагнітним полем (рис. 1). На рис.2 показаний зовнішній вид системи резонатора трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона. Комп’ютерне моделювання процесів в ОР ешелеттрона показує, що такі системи крім селектірующіх властивостей, що забезпечують розрідження спектра, володіють фокусирующими властивостями (ріс.З) [7]. Моделювання коливальної системи ешелеттрона проведено в інтервалі довжин хвиль від

5,5 мм до 8,5 мм. Апертура сферичного і уголковоешелеттного дзеркал моделі ОР рівні 2а = 90 мм, висота сходинки ешелетта h = 2,4 мм. Радіус кривизни сферичного дзеркала R = 110 мм. Відстань між дзеркалами моделі L = 42 мм. Розрахунок залежності частоти коливань на основному типі TEM00q від відстані між дзеркалами ОР здійснювався за формулою справедливою для еквівалентного півсферичного OP: f = С q arccos (1 L / R) / 2 / L, де q-поздовжній індекс, с-швидкість світла.

Дослідження спектрів коливань резонатора з ешелеттамі показало, що існує інтервал частот, де спектр коливань істотно розріджене як по поздовжніх, так і по поперечним типам коливань. Для Е-поляризації (Вектор Е перпендикулярний площині малюнка) ділянку максимального розрідження спектра сферо-кутикової-ешелетного ОР знаходиться в довгохвильовій області. Для Нполярізованного випромінювання ділянку розрідження зміщується в бік збільшення частоти.

Коливальна система досліджуваного ешелеттрона забезпечена механізмом механічної перебудови частоти шляхом зміни відстані між дзеркалами (рис.2). В іншому варіанті виконання конструкції електродинамічної системи ЛСЕ-ешелеттрона зміна відстані між дзеркалами ОР здійснюється за допомогою п’єзоелектричного рушія.

В експериментальній “гарячої” моделі трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона апертури дзеркал складають 2а = 10я, відстань між дзеркалами L = 10 / l, де / I довжина хвилі генерується сигналу.

Рис. 2. Зовнішній вигляд електродинамічної системи ПСЕ ешелеттрона:

а) вид з боку двох каналів для пучків;

б) вид з боку одного каналу 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 трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона. 1, 2, 3-електронні гармати Fig.1. Diagram of a three-beam FEL-echelettron. 1, 2, 3, electron gun

2.2. Результати вимірювань

В експериментальному макеті трипроменевою ЛСЕешелеттрона (рис.2) канали для електронних променів рознесені в просторі і взаємодія між ними здійснюється через поле ОР. Досліджено ефект складання потужностей, що віддаються кожним електронним променем полю резонатора. На рис. 4 представлена ​​залежність вихідної потужності однопроменевого, двопроменевого і трипроменевою ЛСЕешелеттрона від робочого струму приладу. Видно, що вихідна потужність трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона більше, ніж потужність двопроменевого і однопроменевого приладу при рівних робочих струмах і напругах. Це обумовлено зростанням ефективності взаємодії електронів та хвиль з багатопроменевим електронним потоком, посиленням в режимі синхронізації. Вихідна потужність лабораторного макета ЛСЕ-ешелеттрона при робочому струмі 1р= 96 мА, ускоряющем напрузі 2,5 кВ, зареєстрована для

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

Рис. 3. Розподіл магнітної компоненти ВЧ-поля в резонаторі ешелеттрона (розрахунок)

Puc. 4. Залежність вихідної потужності P / P max =f Op) однопроменевого, двопроменевого і трипроменевою ешелеттрона від робочого струму

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

однопроменевого потоку, приблизно на 25% менше, ніж для трипроменевою потоку з таким же робочим струмом. При цьому магнітне поле, необхідне для супроводу трипроменевою електронного потоку зменшується і з невеликою похибкою його можна описати співвідношенням BN =. В1/ У [и, де N = 3 (число стрічкових пучків). Зменшення магнітного поля обумовлено зменшенням дії сил об’ємного заряду в кожному з трьох пучків. При певній настройці відкритого резонатора ЛСЕ-ешелеттрона і одному і тому ж ускоряющем напрузі на кожному з трьох пучків на виході генератора можна спостерігати трехчастотние сигнал. Для пояснення цього спостереження ми маємо намір провести вимірювання енергетичних і частотних характеристик на інших макетах трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона з ретельним контролем геометричних розмірів періодичних структур та дзеркал його резонатора. Навантажена добротність відкритого резонатора ЛСЕ-ешелет-трону

складає Q = 2 10 ^. Досліджувалася можливість забезпечення перебудови резонансної частоти відкритого резонатора ЛСЕ-ешелеттрона за рахунок зміни відстані між дзеркалами за допомогою п’єзоелектричного рушія. Такий механізм забезпечує безінерційну перебудову частоти по лінійному закону в смузі 0,5%.

Розроблено та досліджується лабораторний макет трипроменевою ЛСЕ-ешелеттрона генератора міліметрових хвиль Показана можливість генерування трьохпроменевою електронним потоком середніх рівнів потужності в 5-міліметровому діапазоні довжин хвиль при ускоряющем напрузі і магнітному полі більш низьких, ніж у випадку приладу з однопроменевими потоком при інших рівних умовах.

IV. Список літератури

1. Девятков Н. Д., Голант М. Б. Шляхи розвитку електронних приладів мм і субмм діапазонів довжин хвиль / / РЕ, 1967, Т.11, № 11.-С.1973-2004.

2. А.с. № 195557 (СРСР). Електронний прилад для генерації і посилення коливань мм і субмм діапазонів хвиль / Русин Ф. С., Богомолов Г. Д., 1965 р.

3. Шестопалов В. П. Дифракційна електроніка. Харків. Вид. “Вища школа при Харківському держуніверситеті. 1976. 231 с.

4. Шестопалов В. П. Фізичні ocHoei міліметрової і субміліметрової техніки. Т.2 Джерела, Елементна база. Радіосистеми. Київ: Наук, думка. 1985, 256 с.

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

6. Еремко В. Д. Генерування та підсилення міліметрових хвиль багатопроменевими і трубчастими електронними потоками. / / 5-я Кримська конференція “НВЧ техніка і супутникові телекомунікаційні технології “. Матеріали конференції. Севастополь. Крим. Україна. 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. Білуха А. Я, Еремко В. Д., Фісун А. І., Фурсов А. М. Багатопроменевий ешелеттрон-джерело мм радіохвиль середньої потужності з високою якістю спектра для екологічних досліджень. / / 2-я Кримська конференція “НВЧ-техніка і супутниковий прийом”. Матеріали конференціі.Севастополь. 1992.-576 с.

9. Патент Украши “Резонансний генератор електромагнтніх Коливань ешелеттрон» / Бтуха О.Я., Срьомка

В. Д., Фюун А. I. 2002

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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.