Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung :
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Die gegenwärtige Erfindung betrifft allgemein Freie-
Elektronen-Laser und insbesondere einen hochverstärkenden
Single-Pass-Laser mit freien Elektronen (FEL) und mit einem
neuen Puls-Leistungs-Undulator, der in der Lage ist, extrem
starke magnetische Felder mit einer sehr kurzen Periode zu
erzeugen.
2. Beschreibung des Standes der Technik :
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Gewöhnliche Gas- und solid-state-Laser sind
monochromatisch; d.h. sie können nur spezifische
Wellenlängen entsprechend den Energieübergängen in ihrem
Laser-Medium erzeugen. Farb-Laser können über einen kleinen
Bereich abgestimmt werden, erfordern aber einen Gaslaser
für optisches Pumpen und können nur bei relativ niedrigem
Leistungsniveau betrieben werden.
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Im Gegensatz dazu bietet der Freie-Elektronen-Laser, wie er
im U.S. Patent No. 3,822,410 von Madey beschrieben ist,
eine extrem anpassungsfähige Quelle von kohärenter
Strahlung, weil er auf praktisch jede Wellenlänge
abgestimmt werden kann, und er arbeitet mit hoher Leistung.
In einem Freie-Elektronen-Laser wandern Hoch-Energie-
Elektronen (d.h. Elektronen, die auf Geschwindigkeiten
beschleunigt wurden, die sich der des Lichts nähern) in
einem Strahl durch ein Vakuum anstatt an den Atomen eines
Lasermediums hängen zu bleiben. Weil die Elektronen frei
sind, ist die Wellenlänge der Strahlung, die sie
emittieren, nicht auf eine bestimmte Wellenlänge
entsprechend einem erlaubten Übergang zwischen zwei
Energieniveaus eines Atoms begrenzt. Strahlung wird
erzeugt, wenn der Hoch-Energie-Elektronen-Strahl durch ein
quer dazu liegendes, räumlich periodisches Magnetfeld, das
durch eine Anordnung von Magneten, bekannt als Undulator,
erzeugt wird, hindurchtritt. Das magnetische Feld des
Undulators lenkt den Strahl von Elektronen vor und zurück
und in die Querrichtung ab. Jedes Mal, wenn ein Elektron im
Strahl abgelenkt wird, emittiert es eine Salve von
synchrotroner (breitbandiger oder inkohärenter) Strahlung.
Wenn der Laser in geeigneter Weise konstruiert wird, so daß
die Schwingungen sich einander aufaddieren, bringt die
Kombination der individuellen Salven einen Strahl von
kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge hervor, die
näherungsweise bestimmt wird durch :
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λr=λo/2γ²(1+k²/2+γ²Θ²) (1)
-
wobei:
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λ die Wellenlänge des kohärenten Lichts ist (in cm),
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λ die Undulatorperiode ist, z.B. der Abstand zwischen
benachbarten Magneten entgegengesetzter Polarität (in cm).
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ist die Elektronenenergie geteilt durch die
Restmassenenergie;
-
und
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k ist ein Parameter definiert durch :
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k=eBλo/πmc²= 0.934Bλo (2)
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wobei B das rms des magnetischen Felds ist (in Tesla).
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Wie aus Gleichung (1) oben zu ersehen ist, kann die
Ausgangswellenlänge eines Freie-Elektronen-Lasers durch
Variieren der Elektronenenergie (proportional zu )
abgestimmt werden. Für Lasing mit kurzer Wellenlänge (im
x-ray oder Röntgenstrahlbereich des Spektrums) braucht ein
Freie-Elektronen-Laser Energien in der Größenordnung von 1
GeV, was extrem hoch ist.
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Die Größe des Freie-Elektronen-Lasers ist auch ein Problem,
weil die Entfernung zwischen benachbarten Polen des
Magneten entsprechend der Gleichung (2) begrenzt ist. Da
kαBλo und es ist wünschenswert ist, daß k = 1 ist, muß,
wenn λo (die Entfernung zwischen benachbarten Nord- und
Südpolen eines Magneten) durch einen Faktor 10 reduziert
wird, B um einen Faktor 10 erhöht werden, und 10 Tesla ist
unbrauchbar für gewöhnliche Magnete, die eine
Größenordnung von 100 Polen in Reihe benötigen.
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Zusätzlich zu der Schwierigkeit, die notwendige magnetische
Feldstärke und das notwendige Strahlungsvermögen des
Elektronenstrahls zu erreichen, wird die
Leistungsverstärkung des Gerätes ein Problem für die
Emission im kurzen (< 1000 Angström) Bereich des Spektrums.
Wenn die Single-Pass-Verstärkung weniger als Eins ist, wird
es notwendig, den Photonenstrahl axial vor und zurück durch
den Undulator zu bewegen, um Lasing zu erreichen (leichte
Verstärkung). In gewöhnlichen Freie-Elektronen-Lasern wird
dies durch Spiegel an entgegengesetzten Enden der
Undulatorstruktur bewerkstelligt. Es gibt jedoch keine
Spiegel, die Röntgenstrahlung (x-rays) reflektieren. Die
Lösung besteht darin, den Laser superstrahlend zu machen,
resultierend in einer leichten Verstärkung in einem
einzigen Durchgang (Single Pass) durch den Undulator. Siehe
z.B. R.Bonifacio und F.Casagrande, "The Superradiant Regime
of a Free Electron Laser", Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research A239 (1985), Seite 36 - 42.
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Um die Superstrahlung zu erreichen, muß der
Elektronenstrahl sehr dicht sein (d.h. er muß eine extrem
hohe Helligkeit haben und eine niedrige Emittance
aufweisen) und die magnetische Feldstärke muß sehr stark
mit einer sehr kurzen Periode sein.
Zusammenfassung der Erfindung
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Der Freie-Elektronen-Laser der vorliegenden Erfindung, wie
er in Anspruch 1 definiert ist, hat eine neuartige
Struktur, die dazu konzipiert ist, die oben angeführten
Probleme betreffend kurzwelliges Lasing zu überwinden.
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Im wesentlichen ist der Freie-Elektronen-Laser der
vorliegenden Erfindung aus drei Basiskomponenten gebildet :
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1. einer Hoch-Helligkeits-Elektron/Injektor-Quelle;
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2. einem Linearbeschleuniger (linac), der dem
Elektronenstrahl hohe Energie verleiht; und
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3. einem Undulator, der extrem hohe Magnetfelder (viele
Teslas) ermöglicht, sogar mit einer sehr kurzen Periode.
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Die Elektron-Injektor/Quelle ist das erste Bauteil in der
Linie des Linearbeschleunigers selbst oder ein Radial-
Linien-Transformator, der von einem schnellen Ringschalter
gesteuert wird.
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Der Linearbeschleuniger hat die Struktur, wie sie in der
EP-A-0359732 offenbart ist, welche den Stand der Technik
gemäß Artikel 54 (3) EPC bildet, und bei welcher eine
Vielzahl von beschleunigenden Zwischenräumen in Reihe
angeordnet ist. Diese Zwischenräume werden durch Freigabe
oder Schalten eines einzelnen Energiepulses der Reihe nach
erregt, der sich gleichzeitig entlang einer Vielzahl von
Übertragungsleitungen ausbreitet, von der jede einen
individuellen Zwischenraum versorgt. Die
Übertragungsleitungen sind in der Länge abgestuft, so daß
die Puls-Leistung an jedem Zwischenraum dann anliegt, wenn
die beschleunigten Partikelbündel dort hindurch treten.
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Der Undulator der vorliegenden Erfindung hat dieselbe
Basisstruktur wie der Linearbeschleuniger (linac), mit
Ausnahme davon, daß die Enden der Übertragungsleitungen
eher im wesentlichen kurzgeschlossen als offen geschaltet
sind, so daß das elektrische Feld in ein magnetisches Feld
umgewandelt wird. Der "Kurzschluß" ist nicht komplett,
sondern eher so konzipiert, daß er einen kleinen
Widerstandsbetrag aufweist, so daß ein kleiner Bruchteil
des elektrischen Feldes übrigbleibt. Dieses elektrische
Feld kompensiert den Energieverlust durch den Strahl in
Form von Strahlung, wenn er die einzelnen Zwischenräume des
Undulators durchquert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden offensichtlich, wenn der folgende Text in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird,
in denen
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Fig.1A und 2A Blockdiagramme und schematische
Illustrationen des Freie-Elektronen-
Lasers der vorliegenden Erfindung
sind;
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Fig.2 ein Schema der ersten Stufe des
Linearbeschleunigers ist, welcher für
den Gebrauch als Elektronen-Injektor
konfiguriert ist;
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Fig.3 eine perspektive, teilweise
schematische Illustration eines
Elements des Multielement-
Linearbeschleunigers ist, der in der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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Fig.4 ein Schema für einen
Hochgeschwindigkeitsschalter ist, der
für die Einspeisung von Puls-Leistung
in den Linearbeschleuniger verwendet
wird;
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Fig.5A eine Strahlendansicht der
Beschleunigerstruktur und
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Fig.5B eine expandierte Ansicht der Spitzenden
von zwei benachbarten Leitungen im
Undulator ist;
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Fig.6A ein Schema eines der Elemente des
Undulators ist, welcher in der
vorliegenden Erfindung benutzt wird
und
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Fig.6B eine expandierte Ansicht des
Spitzenendes eines Elements ist;
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Fig.7A und 7B Schemata sind, welche die Richtungen
der elektrischen und magnetischen
Felder an der Spitze eines Elements des
Undulators zeigen; und
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Fig. 8A drei aufeinanderfolgende Paare von
Leitungen im Undulator zeigt, die
insgesamt drei volle Perioden für das
magnetische Feld geben, wie in
-
Fig.8B gezeigt.
Detailierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Es wird jetzt auf die Figuren Bezug genommen, und
insbesondere auf die Figuren 1A und 1B, die einen Freie-
Elektronen-Laser (FEL) 10 in Form eines Blockdiagramms und
in schematischer Form darstellen, bestehend aus einem
Injektor 20, einem Beschleuniger 30 und einem Undulator 40.
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Der Injektor 20 ist ein Radial-Linien-Transformator (RLT)
wie in den Figuren 1B und 1B dargestellt oder,
vorzugsweise, die erste Stufe des Linearbeschleunigers 30,
wie in Fig.2 dargestellt. Bei der Ausführungsform von Fig.2
werden Elektronen dem Bereich, der durch die Referenznummer
21 identifiziert ist, durch einen elektrischen Feld-Puls
zwischen den Platten 22 und 24 entzogen. Die entzogenen
Elektronen gehen durch die Öffnung 28 in der Platte 24 und
treten dann in die beschleunigende Struktur des
Linearbeschleunigers 30 ein.
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Der Puls, der auf den Injektor 20 angewendet wird, wird
vorzugsweise durch einen Schalter vom Typ Blumlein (wird
noch später beschrieben) mit einer Anstiegszeit in der
Größenordnung von zehntel Pico-Sekunden ausgelöst. Der
Injektor 20 kann mit einem eine hohe
Dielektrizitätskonstante aufweisenden Material 23 (wie z.B.
Saphir, Quartz oder ein anderes hochfrequentes verlustarmes
Plastik-Dielektrikum) geladen werden, um die Ausbeute oder
Verstärkung weiter zu erhöhen und um Schwankungen der
Amplitude und der Pulsform aufgrund von Feldemissionsstrom
zu eliminieren.
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Der oben beschriebene Injektor der vorgestellten Erfindung
verfügt über eine Elektronenquelle von extrem hoher
Helligkeit und niedrigem Strahlungsvermögen (Emittance)
wegen des sehr großen elektrischen Feldes, das am
Anoden/Kathoden-Zwischenraum angelegt wird. Wie oben
erwähnt, sind niedriges Strahlungsvermögen und große
Helligkeit für kurzwellige Superstrahlung notwendig: Die
kürzeste Wellenlänge hat die Größenordnung des
Elektronenstrahlemissionsvermögens und hohe
Leistungsverstärkung bei einem einzigen Durchlauf ist nur
mit hoher Stromdichte möglich.
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Das Elektronenbündel, welches dem Injektor 20 entzogen
wurde, verläßt den Injektor mit einer Energie in der
Größenordnung 3MeV. Jedoch braucht der Freie-Elektronen-
Laser für kurzwelliges Lasen Elektronenenergien in der
Größenordnung von einigen hundert MeV bis zu 1 GeV. Darum
ist es notwendig, dem Elektronenbündel weitere Energie
zuzufügen; dies bewerkstelligt der Linearbeschleuniger 30.
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Fig.3 zeigt ein Element des Multielement-
Linearbeschleunigers 30, der in EP-A-0359732 und in
F.Villa, "A New Switched Power Linac Structure", SLAC-PUB-
4894 (März 1989), beschrieben ist, deren Offenbarungen
durch diese Bezugnahme hier eingeschlossen werden. Kurz,
der Linearbeschleuniger 30 umfasst eine Vielzahl von
beschleunigenden Zwischenräumen in Reihe. Diese
Zwischenräume werden nacheinander durch Freigabe oder
Schalten eines einzelnen Energiepulses erregt, der sich
gleichzeitig entlang einer Vielzahl von
Übertragungsleitungen fortpflanzt, von denen jede einen
eigenen Zwischenraum versorgt. Die Übertragungsleitungen
sind in der Länge gestuft, so daß der Leistungs-Puls in
jedem Zwischenraum dann vorhanden ist, wenn das
Beschleunigungselektronenbündel dort hindurchgeht.
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Insbesondere beinhaltet der Linearbeschleuniger 30 von
Fig.3 mit Abstand voneinander angeordnete parallele Platten
31, 32, die in ihrem Längsmittelbereich längs geschlitzt
sind und so die Form von schmalen Streifen oder Bändern
31-1 bis 31-5 haben, welche so gebogen sind, daß sie in
Ebenen angeordnet sind, die im rechten Winkel zu den Ebenen
liegen, in denen die nichtgebogenen und Teile der Platten
31,32 angeordnet sind (Alternativ könnte der Beschleuniger
die "Nicht-Twist"-Struktur aufweisen, die im U.S. Patent
No. 4,975,917 beschrieben ist, welches am 4.Dezember 1990
veröffentlicht wurde). In der Mitte jedes der Bänder 31-1
bis 31-5 befindet sich eine Öffnung 33, durch die sich der
im allgemeinen gerade Partikelweg 39 erstreckt. Die Mittel
zum Einbringen von Leistung in den Linearbeschleuniger 30
sind schematisch durch eine Ladungsspeicherplatte 34 und
einen normalerweise geöffneten Schalter 35 dargestellt. Die
Speicherplatte 34 ist zwischen den
Übertragungsleitungsplatten 31 und 32 am
Leistungseingangsbereich 36 angeordnet. Der Injektor für
den Linearbeschleuniger 30 ist auf der linken Seite von
Fig.3 und an den zwei rechten Einheiten des
Linearbeschleunigers 30 in Fig.2 illustriert. Der Schalter
35 ist symbolisch in Fig.3 nur an der oberen linken Ecke
gezeigt. In der tätsächlichen Struktur wird der Schalter
entlang der Zentralelektrode 34 gleichmäßig sein.
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In dem Teil des Linearbeschleunigers 30 zwischen den
Öffnungen 33 und der gestrichelten Linie A-A' beginnen die
Schlitze, die in die Platten 31 und 32 geschnitten sind,
zur Bildung der Bänder 31-1 bis 31-5 an der Linie A-A', die
nichtparallel in bezug auf die End-Ränder 31-6 und 32-6 der
jeweiligen Platten 31 und 32 sind. Dies bedeutet, daß es
für einen Leistungs-Puls, der im Bereich 36 eingebracht
wird, eine längere Zeit dauert, die Bänder 31-5 und 32-5 zu
erreichen, als die Bänder 31-1 und 32-1. Daher erreicht die
beschleunigende Energie den Teil des beschleunigenden Weges
39 zwischen den Bändern 31-1 und 32-1 bevor sie den Teil
zwischen den Bändern 31-5 und 32-5 erreicht, um
wirkungsvoll ein Energie-Gefälle zu erzeugen, das sich
entlang des beschleunigenden Weges 39 mit Bezug auf Fig.3
in Richtung nach oben zu bewegen scheint.
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Das dielektrische Material 38 füllt den Raum zwischen den
Platten 31 und 32 mit Ausnahme der zentralen Teile der
Bänder 31-1 bis 32-5, die Öffnungen 33 haben, durch die
sich der beschleunigende Weg 33 erstreckt. Die
Übertragungszeit für die Energiepulse wird durch die
dielektrische Konstante des Materials für den Isolator 38
gesteuert. Durch das spitze oder konische Zulaufen des
Raumes zwischen den Platten 31 und 32, wobei der
Zwischenraum g&sub1; am Injektionsbereich 36 größer ist als der
Zwischenraum g&sub2; am beschleunigenden Bereich 37, wird das
elektrische Feld im beschleunigenden Bereich 37 gesteuert.
Um das elektrische Feld weiter zu erhöhen, hat jedes der
Bänder 31-1 bis 32-5 eine Breite W&sub1; an ihrer Puls-
Injektion, die größer ist als die Breite W&sub2; am
beschleunigenden Bereich 37.
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Fig.4 illustriert einen Schalter 60 zur Erzeugung eines
einzelnen Energie-Pulses in den Linearbeschleuniger 30. Der
Schalter 60 ist ein laserangesteuerter Gaslawinenschalter,
der für zuverlässiges ultraschnelles Schalten von relativ
hohen Strömen bei mäßig hohen Spannungen benutzt wird. Ein
solcher Schalter wird in R.E. Cassel, F. Villa, "High Speed
Switching in Gases", SLAG-PUB-4858 (February 1989)
beschrieben. Obwohl der Gaslawinenschalter 60 der
bevorzugte Schalter ist, sind auch andere Schalter (wie
Halbleiter- und photoelektrische Schalter) brauchbar, auch
wenn sie weniger effizient sind.
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Der bevorzugte Gaslawinenschalter 60, der in Fig.4 gezeigt
wird, ist ein Blumlein-Typ-Pulsformendes Netzwerk, welches
ein geformtes Quartz-Element 61 beinhaltet, das für UV-
Licht durchlässig ist und mit einem Hohlraum 63
ausgestattet ist, der mit einem Gas 62 gefüllt ist, das auf
30 10&sup5; Pa (30 atm) komprimiert ist. Der Hohlraum 63
erstreckt sich ungefähr auf die Breite der Speicher-
Elektrode 34, deren geformter Randteil 34a innerhalb des
Hohlraums 63 angeordnet ist. Der geformte Randteil 32a der
Übertragungsleitungsplatte 32 ist innerhalb des Hohlraumes
63 angeordnet, während sich die Platte 31 nicht in den
Hohlraum 63 erstreckt. Ein Randteil 31a der Platte 31 ist
innerhalb eines Schlitzes 61a eines Quartz-Elements 61
angeordnet. Teile des Quartz-Elements 60 sind zwischen der
Elektrode 34 und den Platten 31 und 32 und direkt zwischen
den Platten 31 und 32 im Bereich der Elektrode 34
angeordnet.
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Die Initial-Ionisierung des Gases 62 kommt von Laserlicht,
das in den Hohlraum 63 gelenkt wird und relativ nahe der
Anodenelektrode 34a der Anode 34 konzentriert wird. Dies
bewirkt, daß die Elektronen sich lawinenartig auf die
Anodenelektrode 34a zubewegen. Der ionisierte Bereich
breitet sich weg von der Anfangsverteilung aus, weil die
Elektronen, die von der Lawine produziert wurden, das
umgebende Gas 62 ionisieren werden, und weil sich die
Elektronen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes
bewegen. Der Verlagerungsstrom der Elektronenlawine wird
über die Platten oder Elektroden 31 und 32 einen Puls
induzieren.
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Wegen der extrem kurzen Dauer des elektrischen Pulses ist
der Spitzengradient des Linearbeschleunigers 30 sehr hoch,
in der Größenordnung von 3GV/m, so daß die Länge eines
Linearbeschleunigers in der Größenordnung von 1 Meter für 1
GeV Elektronenenergie sein kann. Magnetisch fokussierende
Geräte (vierpolig und höher), die gebraucht werden, um die
Strahlstabilität aufrechtzuerhalten, werden hier nicht
näher angegeben, da sie dem Fachmann bekannt sind.
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Der Undulator 40 ist bezüglich seiner Struktur ähnlich wie
der Linearbeschleuniger 30 und er arbeitet ebenfalls nach
den Pulsleistungs-Techniken. Der Hauptunterschied ist, daß
das Ende jedes Bereichs des Undulators 40 kurzgeschlossen
ist, um das magnetische Feld zu maximieren (mehr als offen
geschaltet wie im Fall des Linearbeschleunigers 30). Die
Theorie, die hinter der Struktur steckt, ist wie folgt.
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Betrachte eine parallele Plattenleitung oder Plattenlinie
der Impedanz Z (Impedanzlinie), welche mit der Last R endet
oder abgeschlossen ist. Für R = Z wird kein Puls von dem
Abschluß reflektiert und E und B sind durch E/c = B
zueinander in Beziehung gesetzt (c ist die
Lichtgeschwindigkeit).
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Generell kann man ein magnetisches Feld gegen ein
elektrisches Feld tauschen (in einiger Entfernung von dem
Abschluß), indem man den Wert von R aufgrund der
Überlagerung des Initialpulses und seiner Refexion ändert.
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E= T 2R/(Z+R)
-
und
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B= T 2Z/c(Z+R)
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wobei ET das elektrische Feld ist, das mit der sich
wellenförmig ausbreitenden Struktur vor dem Abschluß in
Verbindung steht.
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Aufgrund der beiden oben angeführten Formeln kann gesehen
werden, daß das magnetische Feld verdoppelt und das
elektrische Feld zu Null reduziert werden können, wenn R =
0 ist (Kurzschlußabschluß). Umgekehrt kann das elektrische
Feld verdoppelt und das magnetische Feld zu Null reduziert
werden, wenn R = Unendlich (oder R betragsmäßig viel größer
als Z ist, die charakteristische Impedanz der Leitung).
Zwischen diesen beiden Extremen für R befindet sich ein
kontinuierlicher Satz von Werten für B von Null bis zu 2B
bzw. ein entsprechender Satz des elektrischen Feldes von 2E
bis Null. Daher sind, um das elektrische Feld zu
maximieren, die Enden der einzelnen Übertragungsleitungen
des Linearbeschleunigers 30 offen geschaltet. Dagegen sind
im Undulator 40 die Enden der Übertragungsleitungen
kurzgeschlossen, um das magnetische Feld zu maximieren.
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Die Leitungen, die den Undulator 40 formen, unterscheiden
sich von den Beschleunigerleitungen, denn das magnetische
Feld, das vom Undulator gebraucht wird, ändert sein
Vorzeichen. Dies wird durch die Struktur erreicht, die aus
einem zentralen elektrischen Leiter besteht, der von zwei
Masseebenen oder Erdungsplatten umgeben ist.
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Die Übertragungsleitungen im Undulator 40 werden in der
Praxis nicht vollkommen kurzgeschlossen. Stattdessen wird
eine kleine Impedanz eingeschlossen, um einen kleinen
Betrag an elektrischem Feld zurückzubehalten, um den
Elektronenbündel-Energieverlust zu kompensieren, der sich
aufgrund der Strahlung während der Überquerung eines jeden
Zwischenraums des Undulators ergibt. Die zugefügte Energie
vom kleinen Betrag des elektrischen Feldes hält den Strahl
innerhalb der Grenzen, die für die Kohärenz erforderlich
sind, ohne die Undulatorstruktur ungleichmäßig spitz oder
konisch zulaufend zu belegen. Das kleine verbleibende
elektrische Feld kann durch eine geeignete Geometrie der
Kurzgeschluß-Elemente und/oder durch den Gebrauch eines
leicht widerstandsbehafteten Materials als Abschluß
abgestimmt werden.
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Die Geometrie des Beschleunigers 30 und des Undulators 40
sind ebenfalls verschieden. Wie in Fig.2 und in Fig.5a
gezeigt (Strahlendansicht des Beschleunigers), konvergieren
die Beschleunigerleitungen im Linearbeschleuniger 30 zum
Strahl aus verschiedenen Richtungen (60 Grad auseinander);
im Gegensatz dazu, wie in Fig.2 und Fig.5B gezeigt
(expandierte Ansicht der Spitzenenden von zwei benachbarten
Leitungen im Undulator), liegt der Undulator nur in einer
einzigen Ebene.
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Fig.6A ist ein Schema eines Elements des Undulators,
welches in der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Der
rückwärtige Bereich 60 besteht aus einer Blumlein-
Konfiguration. Der Schalter 60 geht ganz über die zentrale
Platte. Der Schalter 60 ist analog zum Blumlein-Schalter,
der im Linearbeschleuniger 30 benutzt wird.
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Das Spitzen-Ende-Detail eines Elements des Undulators zeigt
Fig.6B (um 90 Grad gegenüber Fig.6A gedreht). Die Leitungen
mit Pfeilen stehen für magnetische Feldkraftlinien.
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Die Figuren 7A und 7B sind Schemata, welche die Richtungen
der elektrischen und magnetischen Felder an der Spitze
eines Elements des Undulators zeigen. Wie in Fig.7A
gezeigt, ist die Intensität des E-Feldes wegen des
Kurzschlusses am Ende der Struktur sehr gering. Im
wesentlichen bleibt nur das magnetische Feld übrig mit der
doppelten Wellenintensität.
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Fig.8A zeigt drei aufeinanderfolgende Paare von Leitungen
im Undulator 40, die im ganzen drei volle Perioden des
magnetischen Feldes ergeben, wie in Fig.8B gezeigt. Viel
mehr Strukturen (bis zu 50 - 100) werden benutzt, um den
Undulator 40 zusammenzusetzten.
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Da die Zeichnungen evakuierte Gebiete nicht darstellen,
sollte es für diejenigen, die den Stand der Technik kennen,
offensichtlich sein, daß der Weg der Elektronen sich sowohl
im Linearbeschleuniger 30 als auch im Undulator 40 des
Freie-Elektronen-Lasers durch ein Gebiet erstreckt, in dem
Vakuum vorliegt, und daß der Schalter 60 ebenfalls in einem
Vakuum ist.
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Da das elektrische Feld, das in jedem Element des
Undulators 40 erzeugt wird, nur für eine sehr kurze Zeit
gehalten wird (weniger als 1 Nanosekunde), ist die Struktur
in der Lage, magnetische Felder von viel größerer
Intensität aufrechtzuerhalten (in der Größenordnung von 20
Tesla) als die, die man von einer Permanent-Magnet-Struktur
erhalten kann. Die Folge dieses sehr hohen magnetischen
Feldes ist, daß die Undulatorstruktur ganz kurz ist, so daß
der gesamte Freie-Elektronen-Laser nur eine Tischoberfläche
einnimmt.
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Die folgende Tabelle beinhaltet einen Satz von möglichen
Parametern für den FEL. Diese Zahlen sind nur eine grobe
Schätzung der Parameter eines kurzwelligen "Tisch"-FELs.
E max
Undulator Länge
Laser Wellenlänge
Lambda λ
Puls-Länge,
Stromdichte (J)
Gamma γ
E-Strahl
Leistungsverstärkung /Meter
Länge des Beschleunigungsbereichs
Strahlladung
Wandanschlußleistung (ungefähr 20 pps)
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Eine geeignete Wiederholungsrate für diese Maschine liegt
in der Größenordnung von 100/200 pps (Pulse pro Sekunde),
wenn Puls-Leistungsquellen verwendet werden. Höhere
Wiederholungsraten sind möglich, wenn die Struktur durch
synthetische Puls-Techniken betrieben wird. In jedem Fall
ist die Puls-zu-Puls-Stabilität kritisch. Obwohl eine
Stabilität in der Größenordnung eines Bruchteils eines
Prozents generell mit gut konstruierten Puls-Leistungs-
Systemen erreichbar ist, fordert der Frei-Elektronen-Laser
(FEL) der vorliegenden Erfindung extrem stabile (Kurz und
Langzeit-) Werte von E und B im Linearbeschleuniger 30 und
Undulator 40; in einer Größenordnung von 1 Teil in 10000.
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In Zusammenfassung gesehen benutzt das FEL der vorliegenden
Erfindung die beschleunigende Struktur, die in EP-A-0359732
beschrieben ist, und eine weitere Struktur ähnlich der EP-
A-0359732 als Undulator, um das elektrische Feld in ein
magnetisches Feld umzuwandeln. Ein kleiner Bruchteil des
elektrischen Feldes darf übrig bleiben, so daß der
Undulator den Energieverlust aufgrund der Strahlung an den
Strahl zurückgeben wird, womit das Elektronenbündel bei
Resonanz gehalten wird. Wegen der mit Hilfe der Puls-
Leistung möglichen hohen Felder ist die Maschine extrem
kompakt im Vergleich zu anderen FELs.