DE69200643T2

DE69200643T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des transversalen Magnetfelds in einem Undulator zur Erzeugung von Lichtenergie aus einem Elektronenstrahl.

Info

Publication number: DE69200643T2
Application number: DE69200643T
Authority: DE
Inventors: Hubert Leboutet; Michel Simon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1992-04-17
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2012-04-18
Also published as: DE69200643D1; FR2675959B1; EP0511059B1; US5263035A; FR2675959A1; EP0511059A1; JPH06163198A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die in Lasern mit freiem Elektron (LEL) die direkte Umwandlung eines Teils der Energie eines relativistischen Elektronenstrahls in Lichtenergie ermöglichen und Undulatoren genannt werden.
Ein Laser mit freiem Elektron besteht, wie in Figur 1 gezeigt:
- aus einer Quelle hochenergetischer Elektronen, die von einer Elektronenkanone 1 gefolgt von einem Linearbeschleuniger 2 vom Hochfrequenz- oder Induktionstyp gebildet wird und Wolken von beschleunigten Elektronen aussendet, die in Paketen von mehreren tausend zusammengefaßt sind, wobei eine Wolke während eines Mikroimpulses von einigen 10 Pikosekunden vorliegt und ein Paket einige zehn Mikrosekunden andauert,
- aus einem ersten magnetischen Ablenkungssystem 3, das die Bahn der beschleunigten Elektronen in Richtung auf einen abgestimmten Laserhohlraum 4 ablenkt,
- aus dem abgestimmten Laserhohlraum 4 mit seinen Spiegeln 5 und 6 und seinem optischen Ausgangsfenster 7 für die Lichtwellen,
aus einem Undulator 8, der im mittleren Bereich des Hohlraums 4 in der Bahn des Strahls von beschleunigten Elektronen liegt und ein magnetisches Querfeld erzeugt, das abwechselnd nach Nord-Süd und Süd-Nord entlang der Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls polarisiert ist,
- und aus einem zweiten magnetischen Ablenkungssystem 9, das die Bahn des Elektronenstrahls nach Durchgang durch den Hohlraum 4 so umlenkt, daß der Strahl seitlich an dem optischen Fenster 7 für den Ausgang der Lichtwellen vorbeigeführt ist.
Das Betriebsprinzip des Lasers mit freiem Elektron beruht auf der Bremsstrahlung, die auf der Tatsache beruht, daß jedes einer Beschleunigung oder Verzögerung unterworfene Elektron elektromagnetische Energie abstrahlt, und auf der relativistischen Verkürzung der Wellenlänge.
Im Undulator durchlaufen die Elektronen ein magnetisches Querfeld, das abwechselnd umgepolt ist und erfahren, wie dies in Figur 2 gezeigt ist, und sind Ablenkungen kleiner Amplitude abwechselnd in beide Richtungen unterworfen. Sie strahlen dabei Lichtenergie in Richtung der Fortpflanzung des Strahls aus. Unter Bedingungen nahe dem Synchronzustand zwischen der erzwungenen Schwingung der Elektronen und der Lichtwelle gibt es einen Energieaustausch zwischen den Elektronen und der Lichtwelle und es erfolgt die Auslösung eines Laserphänomens in dem optischen Hohlraum.
Die optische Sendewellenlänge kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Hierbei ist λond die magnetische Teilung oder die Teilung des Undulators.
Weiter gilt: =
v ist die Geschwindigkeit der Elektronen und c die Lichtgeschwindigkeit.
K = 0,94 λond Bo
Bo ist der Wert der magnetischen Induktion, die im Undulator erzeugt wird.
Es sei bemerkt, daß die optische Sendewellenlänge um so kürzer ist, je kleiner die magnetische Teilung λond des Undulators ist.
Undulatoren, die dieses physikalische Prinzip verwenden, sind bereits mehrfach hergestellt worden.
Sie verwenden Magnetkreise, die entweder eine Struktur in Form von Dauermagneten, Elektromagneten oder Hybridmagnetsystemen oder eine Struktur ohne Magneten mit einem elektrischen Leiter besitzen, der mäanderförmig über den Weg des Elektronenstrahls verläuft und von einem starken Anregungsstrom durchflossen ist (siehe z.B. US-A-4 542 510).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Undulatoren, deren transversales Magnetfeld ganz oder teilweise von einem Anregungsstrom erzeugt wird, der in einem Leiter fließt, welcher in Windungs- oder Mäanderform entlang der Bahn des Elektronenstrahls im optischen Hohlraums eines Lasers mit freiem Elektron angeordnet ist.
Ziel der Erfindung ist es, die Wechselwirkung zwischen Elektronen und abgestrahlter Lichtenergie in dem Undulator zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Einstellung des transversalen Magnetfelds in einem Undulator für die Erzeugung von Lichtenergie ausgehend von einem Strahl von in isolierten Paketen ausgesendeten Elektronen, wobei ein Paket die Dauer eines Makroimpulses besitzt und der Undulator einen Leiter aufweist, der entlang der Bahn des Elektronenstrahls Windungen oder Mäander bildet, die insgesamt oder in einem Teil ein transversales Magnetfeld induzieren, das abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist. Dieses Verfahren besteht darin,
- auf dem das transversale Magnetfeld induzierenden Leiter Hilfsanschlüsse zur Stromableitung vorzusehen, die entlang der Bahn des Elektronenstrahls im Undulator verteilt sind,
- einen Hauptanregungsstrom in den ganzen Leiter einzuspeisen, der das transversale Magnetfeld während der Dauer eines Makroimpulses entsprechend der Durchlaufzeit eines Elektronenpakets im Undulator induziert,
- und über die Hilfsableitanschlüsse zu Beginn jedes Makroimpulses partielle Hilfsströme einzuspeisen, die sich dem Hauptanregungsstrom in den Teilen des Leiters überlagern und das transversale Magnetfeld in Zonen der Elektronenstrahlbahn im Undulator induzieren, die sich vor den Hilfsanschlüssen bezüglich der Bewegungsrichtung der Elektronen des Strahls befinden.
Vorzugsweise besitzen die partiellen Hilfsströme, die über die Hilfsanschlüsse eingespeist werden, konstante Stromstärke über eine Dauer von einer oder zwei Mikrosekunden, worauf der Strom in einer oder zwei Mikrosekunden bis auf null absinkt.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Undulator zur Durchführung des oben erwähnten Verfahrens.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener, die Erfindung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren hervor.
Figur 1 wurde bereits erwähnt und zeigt das Prinzipschemas eines Lasers mit freiem Elektron.
Figur 2 wurde bereits erwähnt und zeigt die Wellungen der Bahn eines Elektronenstrahls aufgrund eines transversalen Magnetfelds, das abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist.
Figur 3 zeigt sehr schematisch, wie ein transversales Magnetfeld erzeugt wird, das abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist, mit Hilfe einer Überlagerung von zwei identischen Schichten von transversalen Anregungsströmen entgegengesetzter Richtung.
Die Figuren 4a bis 4h zeigen in Perspektive verschiedene mögliche Formen für einen elektrischen Leiter in Mäanderform für den Magnetisierungskreis eines Undulators.
Figur 5 zeigt in Perspektive und sehr schematisch den elektrischen Aufbau eines mäanderförmigen elektrischen Leiters, bestehend aus zwei übereinander liegenden Teilen, von denen der eine über und der andere unter dem Elektronenstrahl in dem optischen Hohlraum des Lasers verläuft.
Figur 6 zeigt die Form des Anregungsstroms eines Magnetisierungskreises abhängig von der Zeit für einen erfindungsgemäßen Undulator.
Figur 7 zeigt eine elektrische Anregungsschaltung für einen Undulator mit einem Magnetisierungskreis, der aus einem einteiligen mäanderförmigen Leiter besteht.
Die Figuren 8 und 9 zeigen schematisch elektrische Anregungskreise eines Undulators mit einem Magnetisierungskreis, bestehend aus zwei übereinanderliegenden mäanderförmigen Leitern.
Figur 10 zeigt einen partiellen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Undulator.
Figur 11 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie XI- XI durch den Undulator gemäß der vorhergehenden Figur.
In den Zeichnungen wurden gleiche Elemente in verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie Figur 3 zeigt, kann man ein transversales Magnetfeld, das abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist, entlang einer Richtung 10 entsprechend der Bahn eines Elektronenstrahls erhalten, indem man oberhalb und unterhalb dieser Richtung zwei identische Schichten von Strömen 11, 12, 13, 14 und 21, 22, 23, 24 vorsieht, die in Querrichtung und abwechselnd entgegen gesetzt verlaufen. Diese beiden Schichten von Strömen können mit einem elektrischen Leiter erzielt werden, der mäanderförmig zu beiden Seiten der Bahn des Elektronenstrahls im optischen Hohlraum verläuft. Dieser elektrische Leiter, der dann den Magnetisierungskreis des Undulators bildet, kann verschiedene Formen annehmen. Er kann einteilig ausgebildet sein, wie in den Figuren 4a, 4c, 4e und 4g mit den Bezugszeichen 31, 35, 39, 43 angedeutet. Dann ist er in Längsrichtung mit Löchern 32, 36, 40, 44 versehen, die entlang der Achse 30 der Bahn des Elektronenstrahls fluchten. Er kann auch aus zwei Teilen gleicher Form bestehen, die übereinander liegen, wobei durch den Zwischenraum der Elektronenstrahl im optischen Hohlraum verläuft, wie mit den Bezugszeichen 33, 34; 37, 38; 41, 42; 45, 46 in den Figuren 4b, 4d, 4f und 4h angedeutet ist. Der Leiter beschreibt Mäanderlinien, die entweder einen dreieckigen Umriß besitzen, wie in den Figuren 4a und 4b mit dem Bezugszeichen 31, 33, 34 angedeutet, oder einen rechteckigen, U-förmigen Umriß, wie in den Figuren 4c und 4d mit den Bezugszeichen 35, 37, 38 angedeutet, oder einen I-förmigen Umriß, wie in den Figuren 4e und 4f mit den Bezugszeichen 39, 41, 42 angedeutet, oder einen abgerundeten Umriß besitzen, wie in den Figuren 4g und 4h mit den Bezugszeichen 43, 45, 46 angedeutet ist.
Wenn der elektrische Leiter des Magnetisierungskreises des Undulators aus zwei übereinanderliegenden Teilen besteht, von denen der eine oberhalb und der andere unterhalb der Bahn des Elektronenstrahls im optischen Hohlraum liegt, dann sind die elektrischen Verbindungen zwischen diesen beiden Teilen so organisiert, daß derselbe Anregungsstrom in gleicher Richtung in beiden Teilen fließt.
Ein Beispiel hierfür ist in Figur 5 dargestellt, wo schematisch zwei Teile 50, 51 eines mäanderförmigen Leiters des Magnetisierungskreises dargestellt sind. Der Anregungsstrom kommt über einen leitenden Stab 52 an, der an eine seitliche leitende Lasche 53 angeschlossen ist, welche ein erstes Ende des Teils 50 des mäanderförmigen Leiters bildet, der sich oberhalb der Bahn 30 des Elektronenstrahls entlang von dessen Achse erstreckt. Der Anregungsstrom durchläuft diesen Teil 50 und tritt am zweiten Ende aus, das durch eine seitliche leitende Lasche 54 gebildet wird, welche sich auf der derselben Seite befindet. Diese seitliche Lasche 54 ist mit einem leitenden Verbindungsstab 55 zwischen den beiden Teilen 50 und 51 des mäanderförmigen Leiters verbunden, der wieder in Richtung zum ersten Ende des Teils 50 zurückführt und vor der seitlichen Lasche 53 dieses Teils 50 auf eine weitere seitliche Lasche 56 trifft, die eine erstes Ende des Teils 51 des mäanderförmigen Leiters bildet, der in der Achse unterhalb der Bahn 30 des Elektronenstrahls liegt. Der Anregungsstrom kehrt über den leitenden Verbindungsstab 55 in die Richtung des ersten Endes des Teils 51 des mäanderförmigen Leiters zurück, durchläuft dann diesen Teil 51 in gleicher Richtung wie den Teil 50 und tritt an einem zweiten Ende über eine seitliche leitende Lasche 57 aus, die auf der entgegengesetzten Seite zu den anderen seitlichen Laschen 53, 54, 56 vorsteht und mit einen leitenden Stromausgangsstab 58 verbunden ist, der an den beiden Teilen 50 und 51 des mäanderförmigen Leiters entlang verläuft.
In dem Elektronenstrahl, der in dem optischen Hohlraum des Lasers mit freiem Elektron den Undulator durchquert, pflanzen sich die von einem linearen Hochfrequenzbeschleuniger kommenden Elektronen in Wolken fort, die Mikroimpulsen von einigen 10 Pikosekunden entsprechen und in Gruppen zu einigen tausend Wolken in isolierten Paketen zusammengefaßt sind, die Makroimpulsen von einigen 10 Mikrosekunden bis zu einigen Sekunden entsprechen.
Für die Auslösung einer Lasererscheinung muß ein magnetisches Querfeld im Undulator beim Durchgang jedes Pakets von Elektronenwolken erzeugt werden, wozu durch den Magnetkreis des Undulators ein Impulsstrom von einigen 10 kA geschickt wird, der über eine geringfügig längere Zeit als die eines Makroimpulses aufrechterhalten wird. Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und abgestrahlter Lichtenergie in dem in dem optischen Hohlraum des Lasers angeordneten Undulator kann jedoch verbessert werden, indem man den Wert des transversalen Magnetfelds des Undulators während eines Makroimpulses sowohl abhängig von der Zeit als auch abhängig von der Lage entlang der Bahn des Elektronenstrahls im optischen Hohlraum verändert, so daß während des Leistungsanstiegs der Wechselwirkung zwischen Elektronen und abgestrahlter Energie nach dem Eintreffen eines Paketes von Elektronenwolken im Undulator das Variationsgesetz der synchronen Geschwindigkeit entlang des Undulators in jedem Augenblick dem optimalen Gesetz entsprechend einem Augenblickswert des elektrischen Hochfrequenzfelds gleichkommt. Um den Wirkungsgrad der Wechselwirkung zwischen Elektronen und abgestrahlter Lichtenergie zu optimieren, muß nämlich das transversale Magnetfeld im Undulator abhängig von sich entwickelnden Merkmalen des elektrischen Hochfrequenzfelds moduliert werden, das mit dem Ablauf eines Makroimpulses aufgrund der durch jede Elektronenwolke in den optischen Hohlraum eingebrachten Energie zunimmt.
Um die Regelung des Werts des transversalen Magnetsfelds sowohl abhängig von der Zeit als auch abhängig von der Lage entlang der Bahn des Elektronenstrahls im Undulator einzustellen, sieht man, wie in den Figuren 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g und 5 dargestellt, am mäanderförmigen Leiter, der das transversale Magnetfeld erzeugt, entlang der Bahn des Elektronenstrahls im Undulator Hilfsanschlüsse zur Stromableitung vor, die mit einer ansteigenden Nummernfolge, j, j+1 in umgekehrter Richtung zur Bewegung der Elektronen des Strahls bezeichnet sind.
In der Praxis speist man in die Ableitungshilfsanschlüsse während einer Dauer unter einer oder zwei Mikrosekunden zu Beginn jedes Makroimpulses Hilfsströme Ij, Ij+1 ein, die sich dem Hauptstrom I&sub0; in den Teilen des das transversale Magnetfeld induzierenden Leiters überlagern, die vor diesen Anschlüssen bezogen auf die Bewegung der Elektronen des Strahls liegen. Dann läßt man diese Hilfsströme wieder bis auf null während eines späteren Zeitraums abnehmen, der ebenfalls unter 1 oder 2 Mikrosekunden liegt, wobei jedoch die Stromstärke des Hauptanregungsstroms während der ganzen Dauer eines Makroimpulses aufrechterhalten bleibt. Die ursprüngliche Stromstärke der Hilfsströme Ij und Ij+1 sowie ihre Abnahmefunktionen während jedes Makroimpulses werden experimentell so bestimmt, daß der optische Energiewirkungsgrad optimiert wird.
Das Gesetz der zeitlichen Veränderung des Anregungsstroms in einem Punkt vor den Hilfsableitungsanschlüssen auf dem das transversale Magnetfeld induzierenden Leiter des Undulators ist in Figur 6 gezeigt. Ein Strom des Maximalwerts Io + Σ Ij (Σ Ij ist gleich der Summe der über die Hilfsableitungsanschlüsse hinter dem betrachteten Punkt eingespeisten partiellen Ströme) fließt während einer Zeitdauer t&sub1;, die kürzer als 1 oder 2 Mikrosekunden ist, zu Beginn eines Makroimpulses entsprechend dem Eintreffen eines Pakets von Elektronenwolken im Undulator. Der Strom nimmt dann während einer Dauer t&sub2; - t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden ab und bleibt dann konstant auf dem Wert Io bis zum Ende des Makroimpulses.
Figur 7 zeigt ein Beispiel des elektrischen Stromspeisekreises eines Undulators mit einem Magnetisierungskreis, der aus einem einteiligen mäanderförmigen Leiter 60 besteht, wie er in den Figuren 4a, 4c, 4e oder 4g gezeigt ist. Der Elektronenstrahl verläuft entlang des mäanderförmigen Leiters 60 im Inneren einer Reihe von Löchern, die in Längsrichtung vom Ende S bis zum Ende E entlang des Pfeiles 61 vorgesehen sind. Der mäanderförmige Leiter 60 besitzt Hilfsableitungsanschlüsse P&sub1; ..., Pj ..., Pn, die über seine Länge verteilt sind, und er wird über einen Impulstransformator 62 gespeist. Der Impulstransformator 62 besitzt eine Primärwicklung 63 und eine Sekundärwicklung 64 mit einem Zwischenabgriff 65. Der mäanderförmige Leiter 60 ist mit seinem Ende S an einen Klemme 66 der Sekundärwicklung 64 und mit seinem Ende E an den Zwischenabgriff 65 angeschlossen. Die andere Endklemme 67 der Sekundärwicklung 64 des Impulstransformators 62 ist über Kollektor- Emitterübergänge von Stromschalttransistoren T&sub1;, ..., Tj, ..., Tn an die Hilfsableitanschlüsse P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn des mäanderförmigen Leiters 60 angeschlossen. Die Basiselektroden der Schalttransistoren T&sub1;, ..., Tj, ..., Tn sind mit einer Steuerschaltung 68 verbunden.
Im Betrieb empfängt der Impulstransformator 62 an seiner Primärwicklung 63 Anregungsimpulse, die je mit einer geringfügig größeren Zeitdauer einen Makroimpuls überdecken, der mit dem Eintreffen eines Pakets von Elektronenwolken im Undulator zusammenfällt. Jeder Anregungsimpuls provoziert das Auftreten eines Hauptstroms I&sub0; am Zwischenabgriff 65 der Sekundärwicklung 64 des Impulstransformators 62, dessen Stromstärke von einigen kA bis zu einigen 10 kA reicht und der über die ganze Länge des mäanderförmigen Leiters fließt. Außerdem bewirkt jeder Anregungsimpuls während einer Zeitdauer t&sub1;, die unter 1 oder 2 Mikrosekunden liegt, in der die Stromschalttransistoren T&sub1;, ..., Tj, ..., Tn durch die Steuerschaltung 68 leitend gemacht sind, das Auftreten von partiellen Hilfsströmen I&sub1;, . .., Ij, ..., In an der Endklemme 67 der Sekundärwicklung 64, die in den mäanderförmigen Leiter 60 in Höhe der verschiedenen Hilfsableitanschlüsse P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn eingespeist werden und die am Ende S dieses Leiters austreten, der sich bezüglich der Fortpflanzungsrichtung der Elektronenstrahlen (Richtung des Pfeils 61) am vorderen Ende befindet. Nach der Zeitdauer t&sub1; werden die Stromschalttransistoren T&sub1;, ..., Tj, ..., Tn nacheinander durch die Steuerschaltung 68 während einer Zeitdauer t&sub2; - t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden gesperrt, um die partiellen Hilfsströme zu beseitigen und um ein Stromvariationsgesetz ähnlich dem in Figur 6 zu erzielen.
Figur 8 zeigt ein Beispiel des elektrischen Stromspeisekreises eines Undulators mit einem Magnetisierungskreis, der aus einem aus zwei Teilen 70, 71 bestehenden mäanderförmigen Leiter gebildet wird, wie dies in den Figuren 4b, 4d, 4f oder 4h gezeigt ist. Der Elektronenstrahl verläuft entlang des mäanderförmigen Leiters zwischen dessen beiden Teilen 70, 71 vom Ende S bis zum Ende E entlang des Pfeils 72. Die beiden Teile 70, 71 des mäanderförmigen Leiters besitzen über ihre Länge verteilte Hilfsanschlüsse für die Stromableitung P'&sub1;, P'j, ..., P'n, sowie P"&sub1;, ..., P"j, ..., P"n. Sie werden mit Strom von einem Impulstransformator 73 gespeist, der eine Primärwicklung 74, eine Sekundärwicklung 75 und einen Zwischenabgriff 76 besitzt. Der Teil 70 des mäanderförmigen Leiters ist mit seinem Ende E an den Zwischenabgriff 76 und mit seinem Ende S an einen Widerstand 77 angeschlossen, der zum Ende E des anderen Teils 71 führt. Das Ende S des Teils 71 ist mit einer Endklemme 78 der Sekundärwicklung 75 des Impulstransformators 73 verbunden. Die andere Endklemme 79 der Sekundärwicklung 75 des Impulstransformators 73 ist über Kollektor-Emitterübergänge einer Gruppe von Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n an die Hilfsableitanschlüsse P'&sub1;, P'j, ..., P'n des Teils 70 des mäanderförmigen Leiters angeschlossen, während die Hilfsableitanschlüsse P"&sub1;, ..., P"j, P"n des anderen Teils 71 des mäanderförmigen Leiters über Kollektor-Emitterübergänge einer weiteren Gruppe von Stromschalttransistoren T"&sub1;, ..., T"j, . .., T"n an das Ende S des ersten Teils 70 des mäanderförmigen Leiters angeschlossen sind. Die Basiselektroden der Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n der beiden Gruppen sind mit einer Steuerschaltung 80 verbunden.
Im Betrieb empfängt der Impulstransformator 73 über seine Primärwicklung 74 Anregungsimpulse, die je mit einer geringfügig größeren Dauer einen mit dem Eintreffen eines Pakets von Elektronenwolken im Undulator zusammenfallenden Makroimpuls überdecken. Jeder Anregungsimpuls führt zum Auftreten eines Hauptstroms I&sub0; am Zwischenabgriff 76 der Sekundärwicklung 75 des Impulstransformators 73 mit einer Stärke von einigen kA bis zu einigen 10 kA, der über die ganze Länge der beiden Teile 70, 71 des mäanderförmigen Leiters in gleicher Richtung in den beiden Teilen bezüglich des Wegs des Elektronenstrahls fließt. Weiter provoziert der Anregungsimpuls während einer Zeitdauer t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden, in der die beiden Gruppen von Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n von der Steuerschaltung 80 leitend gemacht sind, das Auftreten von partiellen Hilfsströmen I&sub1;, ..., Ij, ..., In, die einerseits an der Endklemme 79 der Sekundärwicklung 75 entnommen und in den Teil 70 des mäanderförmigen Leiters in Höhe der verschiedenen Hilfsableitanschlüsse P'&sub1;, ..., P'j, ..., P'n eingespeist werden und die andererseits am Ausgang des Teils 70 des mäanderförmigen Leiters entnommen werden, um erneut in den anderen Teil 71 des mäanderförmigen Leiters in Höhe der verschiedenen Hilfsableitsanschlüsse P"&sub1;, ..., P"j, ..., P"n eingespeist zu werden. Der Widerstand 77 am Anfang des Teils 71 des mäanderförmigen Leiters kompensiert die Widerstände der Transistoren T"1, ..., T"j, ..., T"n in Leitrichtung, um die Entnahme der partiellen Ströme I&sub1;, ..., Ij, ..., In am Ausgang des Teils 70 des mäanderförmigen Leiters zu ermöglichen. So werden die beiden Teile 70, 71 des mäanderförmigen Leiters von identischen Strömen durchflossen, die zunehmen, wenn man sich vom Ende E zum Ende S in umgekehrter Richtung zur Bewegung 72 des Elektronenstrahls bewegt. Nach der Zeitdauer t&sub1; werden die beiden Gruppen von Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, T"j, ..., T"n zunehmend in einer Zeitdauer t&sub2; - t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden gesperrt, um die partiellen Ströme zu beseitigen und eine zeitliche Funktion des Stromes ähnlich der in Figur 6 zu erzielen.
Figur 9 zeigt ein anderes Beispiel eines elektrischen Stromspeisekreises für einen Undulator mit einem Magnetisierungskreis, der aus einem zweiteiligen mäanderförmigen Leiter 85, 86 besteht. Der Elektronenstrahl verläuft entlang des mäanderförmigen Leiters zwischen seinen beiden Teilen 85, 86 und zwar vom Ende S bis zum Ende E in Richtung des Pfeils 87. Die beiden Teile 85, 86 des mäanderförmigen Leiters besitzen wie vorher Zwischenabgriffe für die Stromableitung P'1, ..., P'j, ..., P'n bzw. P"&sub1;, ..., P"j, ..., P"n die über ihre Länge verteilt sind. Sie werden von einem Impulstransformator 88 mit Strom gespeist, der eine Primärwicklung 89 und eine Sekundärwicklung 90 mit Zwischenabgriff 91 besitzt. Der Teil 85 des mäanderförmigen Leiters ist mit seinem Ende E an den Zwischenabgriff 71 und mit seinem Ende S an das Ende E des anderen Teils 86 angeschlossen, dessen anderes Ende S wiederum über einen Widerstand 92 mit einer Endklemme 93 der Sekundärwicklung 90 des Impulstransformators 88 verbunden ist. Die andere Endklemme 94 der Sekundärwicklung 90 des Impulstransformators 88 ist über Kollektor-Emitterübergänge von zwei Gruppen von Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n mit den Hilfsanschlüssen zur Stromableitung P'&sub1;, ..., P'j, ..., P'n und P"&sub1;, ..., P"j, ..., P"n des einen, bzw. anderen Teils 85 und 86 des mäanderförmigen Leiters verbunden. Ein Stromschalttransistor T"' ist mit seinem Kollektor-Emitterübergang in Reihe mit einem Widerstand 95 zwischen das Ende S des Teils 85 des mäanderförmigen Leiters und die Endklemme 93 des Sekundärwicklung 90 des Impulstransformators 88 eingefügt. Die Basiselektroden der Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n der beiden Gruppen, sowie die Basiselektrode des Transistors T"' sind mit einer Steuerschaltung 96 verbunden.
Wie in den beiden vorhergehenden Fällen empfängt der Impulstransformator 88 an seiner Primärwicklung 89 Anregungsimpulse, die je geringfügig länger dauern als ein Makroimpuls, der mit dem Eintreffen eines Pakets von Elektronenwolken im Undulator zusammenfällt. Jeder Anregungsimpuls provoziert das Auftreten eines Hauptstroms I&sub0; einer Stromstärke von einigen kA bis zu einigen 10 kA am Zwischenabgriff 91 der Sekundärwicklung 90 des Impulstransformators 88, der über die ganze Länge der beiden Teile 85, 86 des mäanderförmigen Leiters in gleiche Richtung in beiden Teilen bezüglich der Bahn des Elektronenstrahls fließt. Außerdem provoziert der Anregungsimpuls während einer Zeitdauer t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden, in der alle Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n und T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n und T"'n von der Steuerschaltung 96 leitend sind, das Auftreten von partiellen Hilfsströmen I&sub1;, ..., Ij, ..., In, die an der Endklerne 94 der Sekundärwicklung 90 entnommen werden und einerseits in den Teil 85 des mäanderförmigen Leiters in Höhe der verschiedenen Hilfsableitanschlüsse P'&sub1;, ..., P'j, ..., P'n eingespeist werden und am Ausgang S vom Transistor T"' entnommen werden und andererseits in den Teil 86 des mäanderförmigen Leiters in Höhe der verschiedenen Hilfsableitanschlüsse P"&sub1;, ..., P"j, ..., P"n eingespeist werden. Der Widerstand 92 am Ende S des Teils 86 des mäanderförmigen Leiters kompensiert den Widerstand des Transistors T"' in Leitrichtung, der die Entnahme der Teilströme I&sub1;, ..., Ij, ..., In am Ausgang des Teils 85 des mäanderförmigen Leiters gewährleistet, damit nur noch der Hauptstrom Io über das Ende E in den anderen Teil 86 des mäanderförmigen Leiters eintritt, damit die beiden Teile 85 und 86 von gleichen Strömen durchflossen werden. Der Widerstand 95 erlaubt die Einstellung der Stärke des zwischen den beiden Teilen 85, 86 des mäanderförmigen Leiters durch den Transistor T"' entnommenen Stroms, so daß letzterer genau der Stromstärke der Teilströme entspricht. So werden die beiden Teile 85 und 86 des mäanderförmigen Leiters während der Zeitdauer t&sub1; von gleichen Strömen durchflossen, deren Stromstärke zunimmt, wenn man vom Ende E zum Ende S in umgekehrter Richtung zur Richtung der Bewegung 87 der Elektronen fortschreitet. Nach Ende der Zeitdauer t&sub1; werden die beiden Gruppen von Stromschalttransistoren T'&sub1;, ..., T'j, ..., T'n; T"&sub1;, ..., T"j, ..., T"n und der Transistor T"' zunehmend über eine Dauer t&sub2; - t&sub1; unter 1 oder 2 Mikrosekunden gesperrt, um die partiellen Hilfsströme zu beseitigen und in den beiden Teilen 85, 86 des mäanderförmigen Leiters eine zeitliche Funktion des Stroms entsprechend der in Figur 6 gezeigten zu erhalten.
Die Figuren 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform einer Undulatorstruktur mit einem Magnetisierungskreis, der von einem mäanderförmigen Leiter aus zwei übereinander liegenden Teilen 50 und 51 besteht, die elektrisch, wie in Figur 5 gezeigt, in Reihe geschaltet und mit über ihre Länge verteilten Hilfsanschlüsse für die Stromableitung versehen sind.
Die beiden übereinanderliegenden Teile 50, 51 des mäanderförmigen Leiters sind durch ein isolierendes Abstandsstück 100, 101 voneinander getrennt, sodaß zwischen ihnen ein freier Raum 102 für den Durchlaß des Elektronenstrahls gebildet wird. Sie werden durch zwei Gruppen von nicht dargestellten Längsstangen gehalten, die miteinander verschraubt sind und die Teile randseitig gegen die isolierenden Abstandsstücke 101, 102 drücken.
Man erkennt auf jeder Seite der beiden Teile 50, 51 des mäanderförmigen Leiters den leitenden Stab 52 für die Ankunft des Hauptstroms Io, der mit der seitlichen Lasche 53 am Ausgang des Teils 50 verbunden ist, den leitenden Verbindungsstab 55, der in der Verlängerung des leitenden Stabs 52 zur Ankunft des Stroms liegt und zwischen der seitlichen Lasche 54 am Ausgang des Teils 50 und der seitlichen Lasche 56 am Aussgang des Teils 51 liegt, sowie den leitenden Stab 58 für den Stromausgang, der auf der anderen Seite der Teile 50 und 51 liegt und an der seitlichen Lasche 57 am Ausgang des Teils 51 befestigt ist.
Die aus den beiden Teilen 50, 51 des mäanderförmigen Leiters, ihren Halte- und Verbindungsstäben 52, 55, 58, sowie zur Entlastung der Figuren nicht dargestellten Kühlröhren gebildete Einheit ist in einem vakuumdichten Gehäuse untergebracht, das eine Wand 103 mit U-förmigem Querschnitt besitzt und an der Basis von einem Sockel 104 sowie an seinen Enden durch Deckel verschlossen ist.
Die beiden Teile 50 und 51 des mäanderförmigen Leiters, die Mäanderlinien mit rechteckigem Umriß in U-Form bilden, wie in Figur 4d gezeigt, besitzen entlang einer ihrer im Vakuumgehäuse nach unten zeigenden Seiten Stromableitanschlüsse, die auf jede dritte Mäanderwindung verteilt sind. Diese Ableitanschlüsse werden je von einem Metallstift 105, 106 gebildet, der seitlich in die Teile 50, 51 des mäanderförmigen Leiters eingesetzt ist und über einen Anschlußdraht 107, 108 mit einer isolierenden und dichten elektrischen Durchführung 109, 110 verbunden ist, die in der Nähe durch die Wand 103 des Vakuumgehäuses dringt.
Es sei bemerkt, daß die elektrischen Ableitanschlüsse in den Teilen 50, 51 des mäanderförmigen Leiters symmetrisch bezüglich der Zwischenebene angeordnet sind, die zwischen den beiden Teilen 50, 51 des mäanderförmigen Leiters liegt und in der der Elektronenstrahl in Richtung des Pfeils 111 verläuft.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung des transversalen Magnetfelds in einem Undulator für die Erzeugung von Lichtenergie ausgehend von einem Strahl von in isolierten Paketen ausgesendeten Elektronen, wobei ein Paket die Dauer eines Makroimpulses besitzt und der Undulator einen Leiter (60) aufweist, der entlang der Bahn des Elektronenstrahls Windungen oder Mäander bildet, die insgesamt oder in einem Teil ein transversales Magnetfeld induzieren, das abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren darin besteht,

- auf dem das transversale Magnetfeld induzierenden Leiter Hilfsanschlüsse zur Stromableitung (P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn) vorzusehen, die entlang der Bahn des Elektronenstrahls im Undulator verteilt sind,

- einen Hauptanregungsstrom (Io) in den ganzen Leiter einzuspeisen, der das transversale Magnetfeld während der Dauer eines Makroimpulses entsprechend der Durchlaufzeit eines Elektronenpakets im Undulator induziert,

- und über die Hilfsableitanschlüsse (P&sub1;, ..., Pj, ..., zu Beginn jedes Makroimpulses partielle Ströme (Ij,) einzuspeisen, die sich dem Hauptanregungsstrom (Io) in Teilen des Leiters überlagern und ein transversales Magnetfeld in Zonen der Elektronenstrahlbahn im Undulator induzieren, die sich vor den Ableitungsanschlüssen (P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn) bezüglich der Bewegungsrichtung der Elektronen des Strahls befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die partiellen Ströme (Ij), die über die Hilfsableitanschlüsse (P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn) eingespeist werden, während einer ersten Zeitperiode eines Makroimpulses konstant gehalten werden und dann während einer zweiten Zeitperiode eines Makroimpulses zunehmend bis auf Null verringert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitperiode einige Mikrosekunden andauert.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zeitperiode einige Mikrosekunden andauert.

5. Undulator für die Erzeugung von Lichtenergie ausgehend von einem Strahl von Elektronen, die in isolierten und mit Makroimpulsen zusammenfallenden Paketen ausgesendet werden, mit einem Magnetkreis, der einen entlang der Bahn des Elektronenstrahls Windungen oder Mäander bildenden Leiter aufweist und ein transversales Magnetfeld induziert, welches abwechselnd Nord-Süd und Süd-Nord polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter aufweist:

- Hilfsanschlüsse zur Stromableitung (P&sub1;, ..., Pj,..., Pn), die über den Leiter verteilt sind, der das transversale Magnetfeld entlang der Elektronenstrahlbahn im Undulator induziert,

- Mittel, um einen Hauptanregungsstrom (Io) in den ganzen Leiter einzuspeisen, der das transversale Magnetfeld während der Dauer jedes Makroimpulses entsprechend der Durchlaufzeit eines Pakets von Elektronen durch den Undulator induziert, und

- Mittel, um über die Hilfsableitanschlüsse (P&sub1;, ..., Pj, ..., Pn) zu Beginn jedes Makroimpulses Hilfsströme einzuspeisen, die sich dem Hauptanregungsstrom (Io) in Teilen des Leiters überlagern und ein transversales Magnetfeld in Zonen der Elektronenstrahlbahn im Undulator induzieren, die sich bezüglich der Richtung der Bewegung der Elektronen vor den Ableitanschlüssen befinden.

6. Undulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einspeisen der Hilfsströme (Ij) Schaltmittel (T, T', T", T"') aufweisen, die die Hilfsströme (Ij) eine gewisse Zeit nach dem Beginn jedes Makroimpulses zunehmend sperren.

7. Undulator nach Anspruch 5, mit einem Magnetisierungskreis, der einen mäanderförmigen Leiter aus zwei Teilen (50, 51) besitzt, die zu beiden Seiten der Elektronenstrahlbahn liegen, dadurch gekennzeichnet, daß er Hilfsanschlüsse zur Stromableitung (105, 106) aufweist, die entlang der beiden Teile (50, 51) des mäanderförmigen Leiters verteilt sind und symmetrisch bezüglich einer Zwischenebene angeordnet sind, die zwischen den beiden Teilen (50, 51) des mäanderförmigen Leiters liegt und in der der Elektronenstrahl verläuft.