DE3046909A1

DE3046909A1 - Laser

Info

Publication number: DE3046909A1
Application number: DE19803046909
Authority: DE
Inventors: Thomas James 87544 Los Alamos N.Mex. Boyd jun.; Charles Allen Brau; Donald Adolph Swenson
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1979-12-12
Filing date: 1980-12-12
Publication date: 1981-09-03
Also published as: IT8026576A0; FR2472292B1; GB2065363A; GB2065363B; IT1134680B; US4323857A; JPS5694681A; CA1148242A; FR2472292A1

Description

R 4454

Laser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, und zwar
insbesondere auf einen freien Elektronen-Laser.

Seit der ersten Demonstration des Laser-Konzeptes besteht ein großes Interesse an der Entwicklung eines
Uochleistungs-Lasers, der kontinuierlich über einen
großen Frequenzbereich hinweg abgestimmt werden kann.
Auf diese Weise abstimmbare Hochleistungs-Laser könnten in großem Umfang bei industriellen chemischen Anwendungsfällen eingesetzt werden, um Energie für spezielle Reaktion zu liefern. Beispielsweise könnte ein solcher Laser als eine Quelle benutzt werden, um Abgase aus einer Verbrennung zu reinigen, und zwar durch selektive Zerlegung giftiger Substanzen; oder aber ein solcher Laser könnte

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zum Reinigen von Ausgangsmaterialien für chemische Verfahren verwendet werden, und zwar durch selektive Zerstörung von Verunreinigungen, wie beispielsweise von solchen Verunreinigungen, die bei Kohlevergasungsverfahren verwendete Katalysatoren beeinflussen.

Seit der Verfügbarkeit des Gasmolekular-Lasers sind hohe Leistungen erreichbar. Gasmolekular-Laser sind jedoch nicht in der Lage, kontinuierlich über mehr als einen sehr beschränkten Bereich von Frequenzen hinweg abgestimmt zu werden und erzeugen nur einen bestimmten Satz an Frequenzen, was vom gasförmigen Laser-Medium abhängt. Das Konzept der Extraktion kohärenter optischer Strahlung aus einem Strom relativistischer Elektronen, d.h. der "freie Elektronen-Laser" wurde zum ersten Mal von J.M.J. Madey, Stanford im Jahre 1971 beschrieben. J.M.J. Madey u.a. richteten später über die Laser-Wirkung aus stimulierter Bremsstrahlung beim Stanford Linear Accelerator, vergl. dazu Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). Die Zusammenarbeit des Columbia University Laboratory und des Naval Research Laboratory ergab einen Laser, basierend auf der stimulierten Raman-Streuung durch freie Elektronen, wie dies in der folgenden Literaturstelle berichtet wurde: D.B. McDermott u.a., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). Der Bericht dieser Ergebnisse über den "freien Elektronen-Laser"hat beträchtliches Interesse hervorgerufen, da es möglich ist, daß freie Elektronen-Laser in der Lage sind, außerordentlich hohe Leistungen bei niedrigen Kosten und kontinuierlich abstimmbarer Frequenz zu liefern.

Zusätzlich zur kontinuierlich abstimmbaren Frequenz und

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den potentiell hohen Ausgangsleistungen des freien Elektronen-Lasers, hat dieser noch den zusätzlichen Vorteil, daß kein Laser-Medium wie beispielsweise ein Strömungsmittel, Gas oder ein Feststoff vorhanden ist, welches die Tendenz hat, die Leistung und die optische Auflösung zu begrenzen, und zwar durch lineare und nichtlineare optische Verformungseffekte im Laser-Medium.

Auch werden Strömungssysteme sowie die Leistung zum Pumpen des gasförmigen molekularen Laser-Mediums der gasförmigen und flüssigen molekularen Laser vermieden.

Weitere Anwendungsfälle für die eine hohe Leistung erzeugenden freien Elektronen-Laser sind militärische Anwendungsfälle auf Schiffen, die Verteidigung gegenüber Raketen, die U-Boot-Verbindung und Feststellung, die Leistungsübertragung zu Satelliten und möglicherweise sogar der Antrieb für Bewegungsmanöver im Weltraum. Zu den obenerwähnten industriellen Laser-Anwendungsfällen gehören auch die Folgenden: Laser-Isotoptrennung; Laser-Bearbeitung und möglicherweise Leistungsübertragung von solaren Raumstationen zur Erde.

Bislang wurden jedoch nur niedrige Wirkungsgrade bei den verschiedenen vorgeschlagenen freien Elektronen-Laser-Systemen demonstriert oder berichtet, d.h. bei Laser-Systemen, die für die Erzeugung von Wellenlängen kürzer als dem nahen Infrarot (IR) vorgeschlagen wurden. Das Gleichspannungsbeschleunigungs/Verzögerungs-Konzept erreicht hohe Wirkungsgrade bei längeren Wellenlängen (beispielsweise λ ίνΊΟ um); vergleiche dazu die folgende

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Literaturstelle/ L.R. Elias, Phys. Rev. Letts. 42, 977 (1979) .

Es ist demgemäß eine beträchtliche Eingangsenergie sowie beträchtliche Kapitalkosten erforderlich, um freie Elektronen-Laser bei kurzen Wellenlängen (beispielsweise $1 um) und hohen Ausgangsleistungen zu betreiben, was notwendigerweise die Verwendung des freien Elektronen-Lasers für verschiedene Anwendungsfälle beeinflußt, da viele dieser Anwendungsfälle kürzere Betriebswellenlängen benötigen.

Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, einen verbesserten freien Elektronen-Laser vorzusehen, der insbesondere einen hohen Wirkungsgrad besitzt und im Betrieb zuverlässig ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist einen freien Elektronen-Laser vorzusehen, der hohe Ausgangsleistungen bei hohen Wirkungsgraden und mit Wellenlängen kürzer als dem nahen IR erzeugen kann.

Wei£er bezweckt die Erfindung ein verbessertes Elektronenstrahl-Leistungssystem für freie Elektronen-Laser vorzusehen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

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Die Erfindung überwindet die Nachteile und Beschränkungen des Standes der Technik durch einen verbesserten freien Elektronen-Laser sowie ein verbessertes Elektronenstrahl-Leistungssystem für einen freien Elektronen-Laser,

Der erfindungsgemäße freie Elektronen-Laser weist Folgendes auf: Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, Wigglermittel zur Induzierung transversaler Oszillationen im Elektronen-Strahl, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife, und Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel (catalac) zur Beschleunigung des Elektronenstrahls in einem anfänglichen Durchgang durch die Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und zur Verzögerung des Elektronenstrahls in einem zweiten Durchgang durch die Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel, um Energie aus dem Elektronenstrahl zu extrahieren und die Energie in Beschleunigungsfelder der Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zu transformieren.

Zudem ist erfindungsgemäß ein Elektronenstrahl-Leistungssystem für einen freien Elektronen-Laser vorgesehen, und zwar mit einem Wiggler zur Extraktion von Energie aus einem Strahl aus Elektronen mit einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter Strahlung, wobei ferner folgende Mittel vorgesehen sind: Mittel zur Erzeugung des Strahls aus Elektronen, Mittel zur Leitung des Strahls aus Elektronen in einer geschlossenen Schleife, und Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel (catalac) zur Beschleunigung des Strahls aus Elektronen auf das vorbestimmte Energieniveau zur Anlage an den Wiggler und zur Verzögerung

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des Strahls aus Elektronen, der aus dem Wiggler austritt, um Energie aus dem Strahl von Elektronen zu extrahieren und die Energie in Beschleunigungsfelder der Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zu transformieren.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß kohärente optische Strahlung mit Wellenlängen kürzer als dem nahen IR in einem freien Elektronen-Laser erzeugt werden kann, wobei diese Strahlung kontinuierlich über einen weiten Bereich von Frequenzen hinweg abgestimmt werden kann. Die Erfindung erzeugt eine hohe Ausgangsleistung mit wirtschaftlichen Kosten in einer Vorrichtung unter Verwendung der HP-Beschleunigungstechnologie, die gut entwickelt und zuverlässig im.Betrieb ist.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm der Wechselwirkungsregion des freien Elektronen-Lasers;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Einzeldurchlauf- oder Einzelpaß freien Elektronen-Lasers;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer freien

Elektronen-Laser-Vorrichtung mit Speicherring;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer freien Elektronen-Laser-Vorrichtung mit Gleichspannungswiedergewinnung;

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Fig. 5 ein schematisches Diagramm, welches das

Konzept der Erfindung veranschaulicht,und zwar anhand einer Beschleunigungsbahn-HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung (catalac);

Fig. 6 ein schematisches Diagramm des Konzepts der Arbeitsweise des freien Elektronen-Lasers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm von Komponenten des Catalac-freien Elektronen-Lasers gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Elektronendichte, abhängig von der Elektronenenergie für aus einem beispielhaften Wiggler für die Erfindung austretenden Elektronen;

Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Hilfs-Catalac;

Fig. Io ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Injektor-Linacs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines nachgeschalteten Linacs;

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Fig. 12 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Catalacs und eines Hilfs-Catalacs, angeordnet in einer Linie mit dem Laser-Strahl;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Hilfs-Catalacs und einer versetzten Wiggler-Anordnung;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, und zwar zur Veranschaulichung der Verwendung zahlreicher Stufen von Hilfs-Catalac zur Extraktion zahlreicher Niveaus der Elektronenstrahlenergie;

Fig. 15 ein schematisches Diagramm eines Ring-Resonators;

Fig.16 ein schematisches Diagramm einer Konfiguration unter Verwendung des Catalac-freien Elektronen-Lasers als einen Laser-Verstärker für einen Hauptoszillator-Laser.

Fig. 1 zeigt die freie Elektronen-Laser-Wechselwirkungsregion oder -zone, die erfindungsgemäss kohärente Strahlung erzeugt und verstärkt. Ein Wigglerfeld Io ist ein räumlich schwingendes (oszillierendes) statisches Magnetfeld, welches durch einen Wiggler, beschrieben in US-PS 3 822 41o angegeben· ist. Der Titel dieser US-Patentanmeldung lautet "Stimulated Emission of Radiation in

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Radiation in Periodically Deflected Electron Beams"; ausgegeben am 2. JuIi 1974 an Madey u.a. Das optische Laser-Feld 12 verläuft quer zur optischen Achse 14, wie in Fig.l gezeigt. Damit das optische Laser-Feld 12 mit dem Elektronenstrahl 16 in Wechselwirkung kommt und infolgedessen am Elektronenstrahl 16 arbeitet, müssen die Elektronen des Elektronenstrahls 16 eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur optischen Achse haben. Das Wigglerfeld Io baut ein alternierendes periodisches Magnetfeld auf, um Wellungen im Elektronenstrahl 16 bei dessen Durchgang durch den Wiggler zu induzieren, wodurch eine Transversal-Geschwindigkeit in den Elektronenstrahl 16 induziert wird, was die Wechselwirkung des optischen Laser-Feldes 12 mit den Elektronen des Elektronenstrahls 16 gestattet. Infolge dieser Wechselwirkung werden einige der Elektronen des Elektronenstrahls 16 durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls 16 mit dem optischen Laser-Feld 12 beschleunigt, während andere verzögert werden, und zwar abhängig von der Anfangsphase der Elektronen im optischen Feld 12. Diese Beschleunigung und Verzögerung von Elektronen bewirkt, daß die Elektronen des Elektronenstrahls 16 Bündel oder Büschel bilden. Wenn die Bündel aus Elektronen im Wigglerfeld Io schwingen, so kommen die Bündel bezüglich des optischen Feldes derart in eine Phasenbeziehung, daß das optische Feld die Bündel verzögert und Energie extrahiert. Das InPhase-Kommen tritt dann auf, wenn die optische Wellenlänge, die Elektronenenergie und das Wigglerfeld sowie die Wigglerperiode in ordnungsgemässer Weise eingestellt sind. Die räumliche Periode des das Wigglerfeld Io erzeugenden Wigglers und die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 16 bestimmen die Frequenz der optischen kohärenten Strahlung, erzeugt durch den freien Elektronen-Laser. Die nominelle Beziehung zwischen der Wiggler-Wellen-Zahl (k_w)

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und der optischen (Signal) Wellenzahl (k ) ist die Folgende:

^kw ^{= k}s ^{(1 +} e²B²/m²c²)/2_K ² ,

dabei ist c = die Lichtgeschwindigkeit

m = die Restmasse des Elektrons

e - die Elektronenladung

B = das Magnetfeld des Wigglers

ν = der relativistische Massenfaktor,

wobei dieser Zustand Resonanzzustand genannt wird. Ein Elektronenstrahl, der sich durch einen Wiggler mit gleichförmiger Wellenzahl k und Magnetfeld B bewegt und der

Resonanzbedingungen genügt, wird keinerlei Strahlung emittieren, wird aber mit der optischen Wellenlänge zur Bündelbildung gebracht. Wenn die Wiggler-Wellenzahl etwas niedriger ist als die Resonanzbedingung, so wird der Elektronenstrahl sowohl Bündel bilden als auch Strahlen, wodurch die Energie des Strahlungsfeldes erhöht wird. In der folgenden Literaturstelle ist ein Beispiel eines schraubenlinienförmigen Spulen-Wigglers zur Erzeugung des gewellten Wiggler-Magnetfeldes Io beschrieben: D.A.G. Deacon et al., "Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). Zudem ist ein Satz von Leitringen, die eine Welle in einem solenoidalen Feld erzeugen, um das Wigglerfeld Io zu erzeugen, beschrieben in der folgenden Literaturstelle: D.B. McDermott et al., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). Ferner ist eine geeignete Anordnung von Permanent-Magneten geeignet, um ein Wigglerfeld Io zu erzeugen.

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Fig. 2 zeigt schematisch eine einzeldurchgangsfreie Elektronen-Laser-Vorrichtung, in der ein Elektronenstrahl 18 in einem Linac 2o oder einer anderen Beschleunigungsvorrichtung beschleunigt wird und an einen Wiggler angelegt wird, wo ein Bruchteil der Elektronenstrahlenergie als Laser-Energie extrahiert wird. Da der Extraktionswirkungsgrad der Laser-Energie durch den Wiggler niedrig liegt, ist der Gesamtwirkungsgrad der Einzeldurchgangsvorrichtung gemäss Fig. 2 ein noch niedrigerer Wert. Da die Gesamt-Systemkosten von der Eingangsleistung abhängen, ist die Lösungsmöglichkeit gemäss Fig. 2 trotz ihrer Einfachheit kostspielig, um eine hohe Ausgangs-Laser-Leistung zu erreichen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Speicherring-Vorrichtung, die die Energie ausnutzt, die in dem aus dem Wiggler 26 austretenden Elektronenstrahl 22 verbleibende Energie ausnutzt, und zwar durch Wiederbeschleunigung des Elektronenstrahls 22 im Linac 24 durch eine Größe gleich der durch den Wiggler extrahierten Energie. Dies wird durch Wiedereinfügen des aus dem Wiggler 26 austretenden Elektronenstrahls 22 in den Eingang des Linac 24 zur Beschleunigung erreicht. Der Nachteil der in Fig. 3 gezeigten Speicherring-Vorrichtung besteht darin, daß die Momentverteilung des Elektronenstrahls durch den freien Elektronen-Laser-Wiggler verbreitert wird . D.h. einige Elektronen werden mehr als andere verzögert, was von deren Phase bezüglich des Laser-Feldes abhängt. Mit dieser Verbreiterung der Momentenverteilung muß dann durch Synchrotronstrahlung anderswo im Rezirkulationsring 28 gedämpft werden, bevor der Elektronenstrahl '22 wiederbeschleunigt werden kann und wieder im freien Elektronen-Laser-Wiggler verwendet werden kann. Die Kompliziertheit eines geeigneten Speicherrings würde ein

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umfangreiches Kapitalinvestment erforderlich machen und in jedem Falle würden die Synchrotronverluste für die Strahlverschmälerung in signifikanter Weise die Gesamtwirkungsgradwerte verschlechtern, die schließlich erhalten werden können.

Die Fig. 4 zeigt eine Gleichspannungswiedergewinnungs-Vorrichtung, welche die Probleme der Verschlechterung der Elektronenstrahl-Qualität vermeidet, und zwar durch Verwendung eines elektrischen Gleichspannungsrückkopplungssystem, wie es in der obenerwähnten Literaturstelle von L.R. Elias beschrieben wurde. Die Energierückgewinnung wird durch einen Gleichspannungsbeschleuniger erreicht, und zwar unter Verwendung eines rück-vorgespannten Kollektors zur Verzögerung des Elektronenstrahls, nachdem dieser den Wiggler durchlaufen hat. Nur eine kleine Leistungsversorgung ist erforderlich, um den Strom zum ursprünglichen hohen Potential zurückzubringen. Die in Fig. 4 gezeigte Gleichspannungswiedergewinnungs-Vorrichtung ist jedoch auf eine niedrige Elektronenstrahlenergie und demgemäß auf längere Laser-Wellenlängen beispielsweise λ*,2.10 um beschränkt.

Fig. 5 veranschaulicht die HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Hauptkomponenten zur Darstellung des erfindungsgemässen Konzepts sind die Folgenden: Ein Injektor 3$, ein Catalac (katalytischer Linac) 4o und ein Wiggler 46. Strahlentransportmechanismen leiten den durch den Injektor 38 erzeugten Elektronenstrahl in einer geschlossenen Schleife durch den Catalac 4o. Der Catalac 4o wirkt als ein Katalysator sofern als er die Bedingungen im Elektronenstrahl

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vorsieht, die für Laser-Wirkung in dem Catalac-freien Elektronen-Laser erforderlich sind, und zwar ohne selbst eine Nettostrahlenbelastung zu erleiden, wodurch sich der Name "Catalac" (katalytisches Linac) ergibt.

Im Betrieb erzeugt der Injektor 38 einen Elektronenstrahl 41, der während eines Anfangsdurchgangs durch den Catalac 4o beschleunigt wird. Der Elektronenstrahl wird sodann durch den Wiggler 46 geleitet, der Laser-Energie extrahiert. Der aus dem Wiggler 46 austretende Elektronenstrahl 48 wird durch den Catalac 4o geleitet, und zwar außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern des Catalac, so daß Energie aus dem Elektronenstrahl 48 extrahiert und in Energie der Beschleunigungsfelder des Catalac 4o transformiert wird, um den Elektronenstrahl 41 zu beschleunigen. Verzögerte Elektronen des Elektronenstrahls 48 werden sodann in Strahlabfallmittel 42 abgegeben. Es werden daher die Probleme der Elektronenstrahlenergieausbreitung, wie sie bei der Speicherring-Vorrichtung der Fig. 3 auftreten, hier vermieden, da die Elektronen nicht wiederbenutzt werden, wie dies bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 geschah.

Fig. 6 zeigt mehr ins Einzelne gehend die Arbeitsweise der in Fig. 5 gezeigten HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung, die als Catalac-freie Elektronen-Laser bezeichnet wird. Die Erfindung verwendet ein HF-Linac-System, in dem HF-Felder, wie beispielsweise Mikrowellenfelder, an Resonanzhohlräume angelegt werden, um den Elektronenstrahl zu beschleunigen. Die Technologie der HF-Linac-Systeme ist wohl entwickelt und derartige Systeme haben einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Zu-

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verlässigkeit gezeigt. Für Zwecke der Darstellung wird unter Verwendung geeigneter Parameter ein freier Elektronen-Laser verwendet mit 10 MW Durchschnittsleistung und 1 lim-Wellenlänge.

Wie in Fig. 6 gezeigt,. er zeugt ein Injektor 5o einen 2 MeV-Elektronenstrahl 52, der über konventionelle Mechanismen in den Catalac 54 eingegeben wird. Der Catalac 54 weist irgendeine Anzahl von konventionellen HF-betriebene Beschleunigungsvorrichtungen auf, wie dies beispielsweise in den folgenden Literaturstellen beschrieben ist: "Computer Design 9o5 MHz Proton Linac Cavities" von Harry C. Hoyt u.a., beschrieben in Rev. of Sei. Instrums, Band 37, No. 6, S. 755-762, Juni 1966, "Coupled Resonator Model for Standing Wave Accelerator Tanks" von D.E. Nagle u.a., Rev. of Sei. Instrums, Band 38, No. 11, S. 1538-1587 November 1967 und "Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures" von E.A. Knapp u.a., Rev. of Sei. Instrums, Band 38, No. 7, S. 979-991, Juli 1968. Oder aber das Catalac weist die Scheiben und Unterlegscheibenstruktur auf, wie es in folgenden Literaturstellen beschrieben ist:"High Energy Accelerator Structures for High Gradient Proton Linac Applications" von J.J. Manca u.a. in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 24, No. 3, Juni 1977 und "Experimental and Calculated RF Properties of the Disk and Washer Structure" von J,M. Potter u.a., IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 26, No. 3, Juni 1979. Natürlich kann erfindungsgemäß irgendein geeigneter HF-Beschleuniger verwendet werden zur Beschleunigung von Mehrfachampere (Spitzenstrom) Elektronen-Strahlen, wie beispielsweise die Hohlraumstruktur gemäß

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der folgenden Literaturstelle:"Beam Test With S-Band Standing Wave Accelerators Using On-Axis Couplers" von S.O. Schriber u.a. in Proceedings of 1972 Proton Linear Accelerator Conference, Okt. lo-13, 1972.

Der Injektor 5o weist irgendeinen geeigneten Injektor auf, der Multxamperestrome erzeugt, wie beispielsweise den Injektor verwendet im Stanford Linear Accelerator, wie er in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "The Stanford Two-Mile Accelerator " von R.B. Neal, W.A. Benjamin Inc., New York, 1968, Kapitel 8, Injektor, S. 241-271. Weitere geeignete Injektoren zur Verwendung gemäß der Erfindung sind in der folgenden Literaturstelle beschrieben: "Performance of 14o MeV High Current Short Pulse Linac at ORNL" von N.C. Pering et al., in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 16, No. 3, Juni 1969 und "Subnanosecond High Intensity Beam Pulse" von G. Mavrogenes u.a. in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 2o, No. 3, Juni 1973.

Der durch den Injektor 5o erzeugte - vergl. dazu wiederum Fig. 6 - Elektronenstrahl 52 (volle Kreise) wird in den Catalac 52 eingegeben mit einer Phase relativ zu den HF-Beschleunigungsfeldern, was die Beschleunigung des Elektronenstrahls 52 im Catalac 54 auf loo MeV zur Folge hat. Der das Catalac 54 verlassende Elektronenstrahl 52 wird sodann unter Verwendung üblicher Strahltransportsysteme durch Wiggler 56 geleitet, der mit einem optischen Resonator ausgerichtet ist, welcher Reflektoren 58 und 6o aufweist. Nach Energieextraktion aus dem Elektronenstrahl 52 in der in Fig. 1 offenbarten Weise wird der austretende Elektronen-

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strahl 62 (nichtgefüllte Kreise) geleitet und wieder in das Catalac 54 eingeleitet, so daß die Bündel grob gesagt 180° außer Phase mit den Mikrowellenbeschleunigungsfeldern im Catalac 54 sind. Dies bewirkt, daß die Elektronen des austretenden Elektronenstrahls 62 verzögert werden, um so Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 62 zu den Beschleunigungsfeldern des Catalac 54 zu übertragen, wobei diese Energie zur Beschleunigung des Elektronenstrahls 52 verwendet wird. Die eine niedrige Energie aufweisenden verzögernden Elektronen 63, die aus dem Catalac austreten, werden durch Strahl 52 getrennt und bei 64 beseitigt, und zwar durch ein Elektronenspektrcuneter oder eine andere geeignete Vorrichtung zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen, wie dies beispielsweise in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Focussing of Charged Particles", herausgegeben von Albert Septier, Band 2, Abschnitt 4.2, Academic Press 1967, New York, USA.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht der verschiedenen Komponenten des Catalac-freien Elektronen-Lasers gemäss Fig. 6. Klystrone 68 erzeugen Mikrowellen HF-Energie zur Erzeugung der Beschleunigungs- und Verzögerungs-Felder des Catalac 54 in üblicher Weise, wie dies in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Klystrons and Microwave Triodes" von Donald W. Hamilton, Julian R. Knipp, J.B. Horner Kuper, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948. Strahltransportmagnete 7o und 72 führen den Elektronenstrahl in dem geschlossenen Schleifemuster in Verbindung mit Biegemagneten 74 und 76.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Elektronendichte,

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abhängig von der Elektronenenergie für aus einem typischen sich verjüngenden Wiggler austretenden Elektronen zur Verwendung gemäss der Erfindung. Gemäss dem Konzept des sich verjüngenden Wigglers werden Wigglerwellenzahl und Wigglerfeld in der Weise verändert, daß eine signifikante Anzahl von Elektronen in einer potentiellen Quelle oder Senke eingefangen wird und diese kohärent verzögert werden. Dies wird erreicht durch Verwendung eines Wigglers, der eine abnehmende räumliche Periode besitzt, wodurch der Abstand in jedem aufeinanderfolgenden Magnetfeld "abgestimmt" ist auf die Energie des aus dem vorhergehenden Magnetfeld austretenden Elektrons. Da jeder Satz von Magnetfeldlinien Energie aus den Elektronen extrahiert, werden aufeinanderfolgend kürzere räumliche Periode der Magnetfelder verwendet, um in kohärenter Weise die Elektronen in dem "verjüngten" Wiggler zu verzögern. Ein solcher verjüngter Wiggler ist in der Lage, 5% oder mehr der Energie des Strahls oder mehr zu extrahieren. Darüberhinaus ist die Verteilungsfunktion der aus dem Wiggler austretenden Elektronen kompatibel mit der Catalac-Verzögerungsvorrichtung, da unterscheidbare Energiespitzen erzeugt werden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Anders ausgedrückt 1st die Austrittsstrahlverteilungsfunktion, dargestellt in Fig. 8, dominiert von -zwei Spitzen, welche zwei Gruppen repräsentieren, und zwar eine erste Spitze von Elektronen · (auf 1oo MeV Spitze) die durch den Wiggler relativ unbeeinflußt laufen "und eine zweite Gruppe von Elektronen (85 MeV Spitze), die "eingefangen¹¹ waren und stark verzögert sind in dem bewegenden Kraftfeld, erzeugt durch den Laser und den verjüngten Wiggler, wie oben beschrieben.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Extraktion einer maximalen

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Energiegröße aus der Energieverteilungsfunktion gemäss Fig. 8. Der Injektor 78 erzeugt einen Niederenergiestrahl, beispielsweise 2 MeV, der in Catalac 8o injiziert wird, und zwar über Biegemagnet 82. Das Catalac 8o ist derart ausgelegt, daß es den durch den Injektor 78 erzeugten Elektronenstrahl um 83 MeV beschleunigt, um einen Ausgangsstrahl 83 mit 85 MeV zu erzeugen. Der 85 MeV-Strahl 83 läuft durch Elektronenspektrometer 84 und wird in ein supplementäres oder Hilfs-Catalac 86 eingegeben, welches den 85 MeV-Strahl 83 weiter auf einen 100 MeV-Strahl 89 beschleunigt. Der 1oo MeV-Strahl 89 läuft dann durch das Elektronenspektrometer 88 und wird über übliche Strahlentransportvorrichtungen (nicht gezeigt) zu dem Biegemagneten 9o geleitet, der den Elektronenstrahl 89 durch Wiggler leitet, der innerhalb der Wechselwirkungszone angeordnet ist. Ausgangsoptik 94 und Reflektor 96 speisen die kohärente Strahlung zurück durch die Wechselwirkungszone zum Zwecke der Verstärkung.

Der aus dem Wiggler 92 austretende Elektronenstrahl 99 besitzt eine Elektronenenergieverteilung, wie sie in Fig.8 gezeigt ist. Der Elektronenstrahl 99 wird durch den Biegemagneten 98 und die konventionellen Strahlentransportvorrichtungen (nicht gezeigt) zum Eingang von Catalac 8o geleitet. Der aus dem Wiggler 92 austretende Elektronenstrahl 99 mit der Elektronenenergieverteilung gemäss Fig. 8 wird in das Catalac 8o derart eingegeben, daß die Bündel annähernd 180° außer Phase mit den Beschleunigunqsfeldern des Catalac 8o sind. Das Catalac 8o extrahiert 83 MeV aus den 1oo MeV und 85 MeV Elektronenenergieverteilungsspitzen des Elektronenstrahls 99, um 17 MeV und 2 MeV-Spitzen im das Catalac 8o verlassenden Elektronenstrahl 81 zu erzeugen. Die aus dem Elektronenstrahl 99

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extrahierte Energie wird direkt in Energie der Beschleunigungsfelder des Catalac 80 transformiert. Infolgedessen hat der kombinierte Elektronenstrahl 81 und 83, der aus dem Catalac 80 austritt, eine hohe Energiespitze bei 85 MeV aus dem beschleunigten 2 MeV-Strahl vom Injektor 78 und niedrige Energiespitzen bei 17 MeV und 2 MeV.

Das Elektronenspektrometer 84 trennt die 2 MeV-Spitze, die im Strahlenablaß I00 beseitigt wird. Der verbleibende Elektronenstrahl hat Spitzen bei 85 MeV und 17 MeV. Die 85 MeV Spitze wird auf loo MeV im Hilfs-Catalac 86, wie oben beschrieben, beschleunigt, wohingegen die 17 MeV-Spitze an der Hilfs-Catalac 86 derart angelegt wird, daß die Elektronenbündel grob gesagt 180° außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern des Hilfs-Catalac 86 sind. Infolgedessen werden 15 MeV aus der 17 MeV-Spitze extrahiert, um einen 2 MeV-Spitzenstrahl zu erzeugen, der vom Elektronenspektrometer 88 abgetrennt und im Strahlbeaeitiger 1o2 beseitigt wird. Der verbleibende, aus dem Elektronenspektrometer 88 austretende Elektronenstrahl 89 besitzt eine einzige Spitze bei 100 MeV. Die aus der 17 MeV-Spitze in dem Hilfs-Catalac 86 extrahierte Energie wird direkt in Energie der Beschleunigungsfelder des Hilfs-Catalac 86 transformiert.

Die Anordnung gemäß Fig. 9 liefert daher eine Vorrichtung zur Extraktion von Energie aus zwei gesonderten Elektronen-Energieverteilungsspitzen des aus dem Wiggler 92 austretenden Elektronenstrahls 99. Die einzig wichtigen Verluste im System sind die 2 MeV-Strahlen, angelegt an die Strahlen-

beseitig"er I00 und 1o2 und die Verlustleistungen in den

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Beschleunigungsstrukturen. Zudem werden die Elektronen, die durch den Wiggler 92 gelaufen sind, nicht in der Weise wiederbenutzt, wie sie bei der Speicherringvorrichtung der Fig. 3 benutzt werden, sondern sie werden vielmehr im Catalac 8o und Hilfs-Catalac 86 verzögert und in den Strahlenbeseitigern 1oo und 1o2 beseitigt. Dies eliminiert viele Probleme der Energieverteilung im Elektronenstrahl, angelegt an den Wiggler 92.

Typische Parameter für ein 10 MW CW-System, wie es beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist, werden wie folgt zusammengefaßt:

Wellenlänge	1 um
Mikroimpulslänge	85 ps
Mikroimpulswiederholzeit	14 ns
Durchschnittsleistung	1o MW
Spitzenleistung	1,5 GW
Spitzenintensität	5o GW/cm²
Gesättigte Verstärkung pro Durchgang	1oo%
Anfängliche mittlere Elektronenenergie	1oo MeV
Schließlich erreichte mittlere
Elektronenenergie	94 MeV
Extraktionswirkungsgrad	6%
Schließlich eingefangene Elektronen
energie	85 MeV
Einfangbruchteil	4o%
Maximal annehmbare Energieverteilung	0,89%
beim Einfangen
Wigglerlänge	16 m
Wigglerperiode	4-2.9 cm
Magnetische Induktion (rms)	2.7-3.7 kG

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ZS

Resonatorlänge
Spiegeldurchmesser Durchschnittliche an den Spiegeln einfallende Intensität Spitzenintensität, einfallend an den Spiegeln
Spiegelreflektivität Durchschnittliche thermische Belastung an den Spiegeln Beschleunigungsfrequenz Beschleunigung im Injektor-Catalac Beschleunigung (Verzögerung) im POLAC (Hilfs-Catalac) Gesamtbeschleunigung Durchschnittsstrom Spitzenstrom
Mikrobündellänge
Injektionssubharmonische Elektronenstrahldurchmesser Energieverteilung (Ausbreitung) Emittance

Äquivalente Energieverteilung infolge Emittance

Effektive gesamte Energieverteilung Gesamtstrukturlänge (Catalac + POLAC) Gesaratstrukturverlustleistung (Kupferverluste)
Injektionsverlustleistung (Kupferverluste)

Elektronenenergie an der Beseitigungsvorrichtung

Verluste in den Beseitigungsvorrichtungen

32o m 8 cm

2oo kW/cm

3o MW/cm 99%

2 kW/cm² 358 MHz 2 MeV

15 MeV 1oo MeV 1.6A 25OA 85 ps (11.5°)

1.4 mm o,5% 0,4 mm-mrad

0,44% 0,67% 1oo m

2.5 MW o,1 MW 2 MeV 3.2 MW

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Strahlbelastung im POLAC (= Laser-Leistung) 1o MW HF-Zu-Laser-Wirkungsgrad 63% Klystron-Wirkungsgrad 65% Gleichspannungs-Zu-Laser-Wirkungsgrad 41%

Fig. 1o zeigt eine Konstruktion, die vielleicht einfach im Aufbau ist, aber etwas weniger effektiv als das System der Fig. 9 ist. Fig. 1o zeigt einen Injektor 1o4, der an einen 2 MeV-Strahl erzeugt, der sodann an ein Injektor-Linac 1o6 angelegt wird, welches den Injektorstrahl auf 17 MeV beschleunigt. Der 17 MeV-Strahl wird an Catalac 1o8 angelegt, der den Strahl auf 1oo MeV beschleunigt. Der 1oo MeV-Strahl läuft durch das Elektronenspektrometer 11o und wird durch Biegemagnet 114 auf die Wechselwirkungszone geleitet, wo Wiggler 116 angeordnet ist. Der Wiggler 116 extrahiert Energie aus dem 1oo MeV-Elektronenstrahl und erzeugt eine Elektronenenergieverteilungsfunktion, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, nämlich mit Spitzen bei 1oo MeV und 85 MeV. Der austretende Elektronenstrahl wird sodann über Biegemagnet 118 zum Eingang von Catalac 1o8 geleitet. Der austretende Elektronenstrahl 12o wird an Catalac 1o8 derart angelegt, daß die Elektronen bei 180° außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern im Catalac 1o8 bündeln. Das Catalac 1o8 extrahiert 83 MeV aus den 1oo MeV und 85 MeV-Spitzen, um einen Ausgangsstrahl mit Spitzen bei 2 MeV und 17 MeV zu erzeugen. Wiederum wird die aus dem austretenden Elektronenstrahl 12o extrahierte Energie direkt in Energie der Beschleunigungsfeider des Catalac 1o8 transformiert. Die 2 MeV und 17 MeV-Spitzen werden sodann aus dem Elektronenstrahl 122 über Elektronenspektrometer 11o extrahiert. Ein durch Ausgangsreflektor 128 und Gesamt-

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reflektor 126 gebildete optische Resonator erzeugt eine optische Rückkopplung zur Verstärkung, um Laser-Ausgangsgröße 13o zu erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Vorrichtung beträgt, basierend auf Berechnungen und Figuren für die 1o MW-Vorrichtung der oben beschriebenen Art 21%. Eine Optimierung der Parameter würde einen höheren Wirkungsgrad erzeugen.

Fig. 11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie Fig. 11 zeigt, legt ein Injektor 132 einen Elektronenstrahl 134 mit einem Energieniveau von 2 MeV an Catalac 136 an. Catalac 136 beschleunigt den Strahl 134 auf 1oo MeV, um Elektronenstrahl 14o mit 1oo MeV zu erzeugen. Der Biegemagnet 142 lenkt den Elektronenstrahl 14o durch Wiggler 144, der derart ausgelegt, daß bis zu 6 MeV aus dem Elektronenstrahl 14o extrahiert werden, um den Elektronenstrahl 146 zu erzeugen. Der Elektronenstrahl 146 wird an das nachgeschaltete Linac 148 (Post-Linac) angelegt, welches den Elektronenstrahl 146 um 6 MeV beschleunigt. Da der Elektronenstrahl 146 zwei Elektronendichtespitzen bei annähernd 94 MeV und 1oo MeV besitzt, hat der Elektronenstrahl 152 zwei Spitzen bei annähernd 1oo MeV und 1o6 MeV. Der Elektronenstrahl 152 wird sodann in Catalac 136 injiziert, und zwar grob gesprochen mit 180 außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern, so daß 98 MeV extrahiert werden, um zwei Spitzen bei annähernd 2 MeV und 8 MeV zu erzeugen. Infolgedessen hat der das Catalac 136 verlassende Elektronenstrahl 138 Spitzen bei annähernd 2 MeV, 8 MeV und 1oo MeV. Ein (nicht gezeigtes) Elektronenspektrometer trennt die Niederenergieelektronen mit Energieverteilungsspitzen bei annähernd 2 MeV und 8 MeV von den 1oo MeV-Elektronen des Elektronenstrahls 14o und leitet

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den Elektronenstrahl 154 in Strahlbeseitigungsvorrichtung 156.

Fig. 12 zeigt eine alternative Anordnung von Elementen, wo der Wiggler 158, Hilfs-Catalac 16o und Catalac 162 in einer Linie mit der optischen Achse des optischen Resonators angeordnet sind, der Optik 164 und Optik 166 aufweist. Wiederum sind die gleichen Parameter wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. 9 verwendeten auf die Vorrichtung gemäss Fig. 12 anwendbar. Der Vorteil der Vorrichtung gemäss Fig. 12 besteht darin, daß die Anordnung des Wigglers in Linie mit dem Catalac^und dem Hilfs-Catalac 16o die Notwendigkeit vermeidet, daß ein achromatisches und isochrones Strahlentransportsystem zwischen dem Wiggler 158 und Catalac 162 vorgesehen sein muß. Ein achromatisches und isochrones Strahlentransportsystem ist infolge der winkelmässigen Divergenz und der Energieverteilung, erzeugt im Elektronenstrahl, durch den Wiggler in der Vorrichtung in der Fig. 9 erforderlich. Durch die Vorrichtung gemäss Fig. 12 werden die Ingenieur-Probleme eines derartigen Strahlentransports vermieden, die auf die Divergenz zurückzuführen sind, welche sich durch ein derartiges System ergeben infolge der auf unterschiedlichen Energieniveaus sich befindenden Elektronen und wegen der winkelmässigen Divergenz, hervorgerufen bei diesen Elektronen durch den Wiggler 158. Der Nachteil der Anordnung gemäss Fig. 12 besteht jedoch darin, daß die Projektion des optischen Strahls 168 durch Catalac 162 und Hilfs-Catalac 16o erforderlich ist.

Fig. 131 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, wo die optische Achse 17o des optischen Resonators gegenüber Catalac 172 versetzt ist. Fig. 13 ähnelt Fig. 9 und kann derart ausgelegt sein, daß die gleichen Parameter wie bei

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Fig. 9 angewendet werden. Der Vorteil der Vorrichtung gemäß Fig. 13 besteht darin, daß Probleme der Strahlenführung nach dem Austritt dee Elektronenstrahls 178 aus dem Wiggler I80 infolge der winkelmässigen Divergenz und der Energieverteilung, eingeführt durch den Wiggler I80, vermindert werden, und zwar infolge der minimalen Änderung der Richtung des Elektronenstrahls 178.

Fig. 14 zeigt einen Catalac-freien Elektronen-Laser gemäss der Erfindung, ähnlich der Vorrichtung gemäss Fig. 9 mit der Ausnahme, daß zusätzliche Stufen von Hilfs-Catalacs hinzugefügt sind, um weiter Energie zu extrahieren aus einer komplizierteren Energieverteilung, erzeugt durch Wiggler 182. Im Betrieb erzeugt der Injektor 184 einen Niederenergieelektronenstrahl,der in das Catalac 186 über Biegemagnet 19o geleitet wird. Der Elektronenstrahl wird sodann in Catalac 186 beschleunigt und in einer Reihe von Hilfs-Catalacs, wie z.B. Hilfs-Catalac 192, enthalten innerhalb einer Reihe von Stufen wie beispielsweise der ersten Stufe 194, einer zweiten Stufe 196 usw., um ein vorbestimmtes Energieniveau zur Erzeugung von Elektronenstrahl 198 zu erreichen. Der Elektronenstrahl 198 wird sodann an Wiggler 182 über Biegemagnet 2oo angelegt. Der austretende Elektronenstrahl

202 wird an den Eingang von Catalac 186 über Biegemagnet

203 und ein (nicht gezeigtes) achromatisches isochrones Strahlentransportsystem angelegt. Catalac 186 und darauffolgende Hilfs-Catalacs enthalten innerhalb einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Stufen Extrahieren vorbestimmte Energiemengen aus den verschiedenen Energieniveaus der Elektronen des Elektronenstrahls 2o2. Eine Vielzahl von Elektronenspektrometern, wie beispielsweise Elektronenspektrometer 2o4 und 2o6 beseitigen die Niederenergieelektronen,

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nachdem hinreichend Energie aus diesen extrahiert wurde, so daß sie nicht durch die Hilfs-Catalacs weiterlaufen können. Wiederum wird wiedergewonnene Energie zur Beschleunigung des durch Injektor 184 erzeugten Elektronenstrahls verwendet.

Fig. 15 zeigt einen Ringresonator zur Verwendung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen, offenbart in Fig. 5 bis 7 und 9 bis 14. Da die Verstärkung kohärenten Lichtes nur dann erreicht wird, wenn Photonen des Resonators in der gleichen Richtung wie der Elektronenstrahl laufen, ist es oftmals vorteilhaft, einen Ringresonator,der beispielsweise in Fig. 15 gezeigt ist, zu verwenden, wo Photonen 2o8 in einen geschlossenen Schleifenkreismuster geleitet sind, und zwar über Reflektoren 21o, 212, 214 und 216, so daß sie durch den Wiggler 218 nur in der Richtung des Elektronenstrahls 22o laufen. Der Elektronenstrahl 22o wird durch Biegemagnete 222 und 224 durch Wiggler 218 geleitet und dann durch Biegemagnete 226 und 228, um so im geschlossenen Schleifenmuster der obenbeschriebenen Art seinen Weg fortzusetzen. Der Ausgangsreflektor 216 erzeugt eine Laser-Ausgangsgröße 218, die längs der optischen Achse des Wigglers 218 geleitet wird. Natürlich kann der Ausgangsreflektor 216 irgendwo innerhalb des Ringresonators gemäss Fig. 15 angeordnet sein, um den Ausgangsstrahl in verschiedene Richtungen zu lenken.

Fig. 16 zeigt die Verwendung eines Eingangs-Laser-Strahls von einem Hauptoszillator in Verbindung mit dem Catalacfreien Elektronen-Laser gemäss der Erfindung zur Eliminierung der in den Fig. 6, 7 und 9 bis 15 gezeigten optischen Resonatoren, um so den Catalac-freien Elektronen-Laser-Oszillator gemäß den Fig. 6, 7 und 9 bis 15 in einen Catalac-

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freien Elektronen-Laser-Verstärker umzuwandeln. Im Betrieb wird der Elektronenstrahl 234 durch Wiggler 236 über Biegemagnete 238 und 24o geleitet. Der Hauptoszillator-Laser 242 erzeugt ein optisches Signal bei einer speziellen Frequenz, bei der der freie Elektronen-Laser-Verstärker abgestimmt ist. Nach Durchgang durch Wiggler 236 wird der Eingangs-Laser-Strahl 232 verstärkt, um einen verstärkten Ausgangsstrahl 244 zu erzeugen. Jedergewünschte Injektions-Laser 242 kann in dieser Weise verwendet werden, und zwar einschließlich freie Elektronen-Laser-Oszillatoren, HP-Laser, modeverriegelte Neodymium YAG-Laser usw. Die abstimmbare Natur des freien Elektronen-Lasers ergibt einen großen Bereich von Anwendungsfällen für den freien Elektronen-Laser-Verstärker, in Verbindung mit anderen Lasern einschließlich Hochleistungsgasmolekular-Lasern.

Die Erfindung schafft daher einen freien Elektronen-Laser mit hohem Wirkungsgrad, der auf der entwickelten und zuverlässigen HF-Beschleunigungstechnologie basiert. Der erfindungsgemässe Catalac-freie Elektronen-Laser ist in der Lage, einen hohen Wirkungsgrad bei Wellenlängen kürzer als dem nahen IR zu liefern, und zwar unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Leistungssystems, welches Elektronen beseitigt, nachdem Energie aus diesen Elektronen extrahiert wurde, um so Probleme wie beispielsweise die Strahlendivergenz, die Momentenverteilung usw. zu eliminieren, die bei Speicherringvorrichtungen auftreten und in ernsthafter Weise die Elektronenstrahlqualität und die Leistungsfähigkeit des freien Elektronen-Lasers verschlechtern. Der erfindungsgemässe freie Elektronen-Laser verwendet ein Linac, welches als ein Katalysator wirkt, um die Elektronenenergie von aus dem freien Elektronen-Laser austretenden Elektronen direkt in Beschleunigungsfeldenergie zu transformieren, um

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neue Elektronen zu beschleunigen, was sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch einen einfachen Betrieb ergibt.

Die vorstehende Beschreibung soll nicht einschränkend verstanden werden. Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise können die Biegemagnete und die Strahlentransport-Systeme der gezeigten Art eine einzige integrierte Einheit sein, um in isochroner und achromatischer Weise den Strahl gemäß bekannten Strahltransportprinzipien zu transportieren. Obwohl die Elemente zum Biegen und Transportieren des Strahls nur schematisch dargestellt sind,so ist doch klar, daß aie nach bekannten Prinzipien arbeiten.

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Claims

Ansprüche

(Ty Freier Elektronen-Laser zur Verstärkung kohärenter Strahlung/ gek e η η ζ ei σ h η e t durch Mittel zur Erzeugung eines Strahls von Elektronen, Mittel zur Beschleunigung des Strahls von Elektronen auf eine vorbestimmte relativistische Energie unter Verwendung von HF-Beschleunigungsfeldern,

Wigglermittel zur Induzierung transversaler Schwingungen in dem Strahl aus Elektronen zur Verstärkung der kohärenten Strahlung,

Mittel zur Leitung des Strahls aus Elektronen, der aus dem Wiggler austritt, in die Mittel zur Beschleunigung, wodurch die Elektronen des Strahls aus Elektronen,der aus dem Wiggler austritt, außer Phase sind mit den HF-Beschleunigungsfeldern, um so Energie aus den Elektronen in Energie der Beschleunigungsfelder zu transformieren, um so den Wirkungsgrad des Lasers zu erhöhen.

2. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzhohlraum, ausgerichtet mit den Wigglermitteln zur Rückkopplung der kohärenten optischen Strahlung, erzeugt und verstärkt in den Wigglermitteln.

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3. Laser nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen.

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonanzhohlraum einen Ringresonator aufweist.

5. Freier Elektronen-Laser, gekennzeichnet durch

Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, Wigglermittel zur Induzierung transversaler Schwingungen in dem Elektronenstrahl,

Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife,

Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls während eines anfänglichen Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungsmittel und zur Verzögerung des Elektronenstrahls während eines zweiten Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie· —\ 1¹^- Beschleunigungsfelder der Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungsmittel.

6. Laser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch optische Resonanzhohlraummittel, ausgerichtet mit den Wigglermitteln zur Rückkopplung kohärenter optischer Strahlung, erzeugt und verstärkt in den Wigglermitteln.

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ORiGlNAL INSPECTED

7. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine externe Quelle kohärenter
Strahlung, ausgerichtet mit den Wigglermitteln.

8. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen.

9.Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonanzhohlraum einen Ringresonator aufweist.

1o. Freier Elektronen-Laser nach Anspruch 5 ferner
gekennzeichnet durch:

zusätzliche Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel
zur weiteren Beschleunigung des Elektronenstrahls während des anfänglichen Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und einem anfänglichen Durchgang durch die zusätzlichen Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und zur weiteren Extrahierung von Energie an mehr
als einem Energieniveau aus dem Elektronenstrahl während
des zweiten Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel und einem zweiten Durchgang durch die zusätzlichen Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel.

11. Freies Elektronen-Laser-System mit einem Wiggler
zur Extraktion von Energie aus einem Strahl von Elektronen an einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, wobei ein Elektronenstrahl-Leistungs-

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System für das freie Elektronen-Laser-System folgendes aufweist:

Mittel zur Erzeugung des Strahls der Elektronen, HP-Hohlrauiranittel zur Beschleunigung und Verzögerung des Strahls der Elektronen,

Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls durch die HF-Hohlraummittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls auf das vorbestimmte Energieniveau und zur Verzögerung des Elektronenstrahls nach Austritt aus dem Wiggler zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie in Beschleunigungsfeider der HF-Hohlraummittel, wodurch der Wirkungsgrad des Elektronenstrahl-Leistungs-Systems vergrößert wird.

12. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen und zur Eliminierung der Niederenergieelektronen aus den Leitmitteln.

13. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zusätzliche HF-Hohlraummittel zur Beschleunigung und Verzögerung des Elektronenstrahls zur weiteren Extraktion von Energie auf mehr als einem Niveau aus dem Elektronenstrahl, der aus dem Wiggler austritt.

14. Freies Elektronen-Laser-System mit einem Wiggler zur Extraktion von Energie aus einem Elektronenstrahl auf einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, wobei ein Elektronenstrahl-Leistungs-System

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für den freien Elektronen-Laser folgendes aufweist: Mittel zur Erzeugung des Elektronenstrahls, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife,

Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls auf das vorbestimmte Energieniveau zur Anlage an den Wiggler und zur Verzögerung des Elektronenstrahls, austretend aus dem Wiggler zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie in Beschleunigungsfeider der Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel.

15. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen und zur Eliminierung der Niederenergieelektronen aus den Leitmitteln.

16. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch zusätzliche Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur weiteren Extraktion von Energie auf mehr als einem Energieniveau aus dem aus dem Wiggler austretenden Elektronenstrahl.

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