RU1823162C - Method for generating directional beams of electromagnetic radiation - Google Patents

Method for generating directional beams of electromagnetic radiation

Info

Publication number
RU1823162C
RU1823162C SU894663602A SU4663602A RU1823162C RU 1823162 C RU1823162 C RU 1823162C SU 894663602 A SU894663602 A SU 894663602A SU 4663602 A SU4663602 A SU 4663602A RU 1823162 C RU1823162 C RU 1823162C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
amplitude
period
electron
oscillations
Prior art date
Application number
SU894663602A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Алексеевич Варфоломеев
Original Assignee
Предприятие П/Я А-1758
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Предприятие П/Я А-1758 filed Critical Предприятие П/Я А-1758
Priority to SU894663602A priority Critical patent/RU1823162C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1823162C publication Critical patent/RU1823162C/en

Links

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к ускорительной технике и может быть использовано при генерации направленных потоков электромагнитного излучени . Цель изобретени  - сужение углового распределени  и интегрального по углу частотного спектра излучени . Дл  этого на пучок электронов высокой энергии, движущейс  во внешнем пространственно-периодическом магнитном поле ондул торов или электромагнитных волн, что обеспечивает быстрые колебани  электронов с периодом Я w и амплитудой aj. , воздействуют дополнительно возбужденным магнитным полем с пространственным периодом Я w 2 л Яуу . Это приводит к по влению дополнительных более медленных циркул ционных колебаний электронов с периодом Яю и амплитудой Аг 2 Лд1 Кроме того, привод тс  аналитические выражени , регламентирующие выбор периода и амплитуды дополнительного пол  и число периодов быстрых и медленных колебаний. 2 з п. ф-лы, 1 ил. (ЛThe invention relates to accelerator technology and can be used to generate directed electromagnetic radiation fluxes. The purpose of the invention is to narrow the angular distribution and the angular integral radiation frequency spectrum. For this, a high-energy electron beam moving in an external spatially periodic magnetic field of undulators or electromagnetic waves provides fast electron vibrations with a period w w and amplitude aj. act additionally excited by a magnetic field with a spatial period I w 2 l Yauu. This leads to the appearance of additional slower circulating oscillations of electrons with a period Uy and an amplitude Ar 2 L1. In addition, analytical expressions are given that govern the choice of the period and amplitude of the additional field and the number of periods of fast and slow oscillations. 2 s. F-crystals, 1 ill. (L

Description

Изобретение относитс  к ускорительной технике и может быть использовано дл  генерации направленных пучков электромагнитного излучени  с помощью электронных пучков высокой энергии, получаемых на ускорителе.The invention relates to an accelerator technique and can be used to generate directed beams of electromagnetic radiation using high-energy electron beams produced by an accelerator.

Целью изобретени   вл етс  сужение углового распределени  и интегрального по углу частотного спектра излучени .An object of the invention is to narrow the angular distribution and the angular integral radiation frequency spectrum.

На чертеже изображена схема двойного двухпериодного ондул тора, позвол юща  осуществить предлагаемый способ генерации излучени . Здесь Я w - пространственный период знакопеременного линейно . пол ризованного-магнитного пол , перпендикул рного оси Z; Av-пространственный период циркул рного (спирального) магнитного пол , перпендикул рного оси Z.The drawing shows a diagram of a dual two-period undulator, allowing the proposed method for generating radiation. Here I w is the spatial period of the alternating linearly. a polarized magnetic field perpendicular to the Z axis; Av-spatial period of a circular (spiral) magnetic field perpendicular to the Z axis.

Способ осуществл ют следующим образом .The method is carried out as follows.

Электронный пучок направл ют вдоль оси Z двойного ондул тора. Амплитуды полей каждого ондул тора ограничивают таким образом, чтобы выполн лось условие дипольности дл  высокочастотных поперечных колебаний электроновThe electron beam is directed along the Z axis of the dual undulator. The field amplitudes of each undulator are limited so that the dipole condition for high-frequency transverse electron vibrations is satisfied

0000

юYu

CJCj

о гоoh go

ах Я« /2луah I "/ 2lu

0)0)

гдеWhere

aj. - амплитуда поперечных колебаний; у - рел тивистский фактор электрона Ее/те2.aj. - the amplitude of the transverse vibrations; y is the relativistic factor of the electron Her / te2.

Амплитуду пол  длиннопериодного ондул тора и его период подбирают из услови  обеспечени  медленных колебаний с пространственным периодомThe amplitude of the field of the long-period undulator and its period are selected from the condition of providing slow oscillations with a spatial period

Aw гк  Я«Aw gk I "

(2)(2)

где /с 2 числовой параметр, пропорциональный кратности уменьшени  углового размера Пучка излучени  и амплитудой Агwhere / s 2 is a numerical parameter proportional to the fold of decreasing the angular size of the radiation beam and the amplitude Ar

11

2 у2 y

(3)(3)

Число периодов колебаний электрона в ондул торах на пути воздействи  пространственно периодическими магнитными пол ми подбирают в соответствии с ограничени миThe number of periods of electron oscillations in the undulators on the path of exposure to spatially periodic magnetic fields is selected in accordance with the restrictions

Nw (Nw (

ДА 7ГYES 7G

-1-1

NN

Ј- nw 1Ј- nw 1

/ел,/ ate

Отсюда видно, что в итоге спектральное и угловое распределение суммарного пол  излучени  электрона будут зависеть от формы его траектории.From this it is seen that, as a result, the spectral and angular distribution of the total field of the electron radiation will depend on the shape of its trajectory.

5В случае дипольного ондул торного излучени  общее поле излучени  имитируетс  полем движущегос  дипольного излучател  или соответственно полем линейной цепочки сфазированных дипольных излучателей.5 In the case of dipole undulator radiation, the total radiation field is simulated by the field of a moving dipole emitter or, accordingly, by the field of a linear chain of phased dipole emitters.

Ю Оно оказываетс  направленным и сосредоточено в пределах угла 1/ у. Под заданным углем излучени  в излучаетс  определенна  длина волны A s( $)c ширинойYu Ono turns out to be directed and concentrated within the angle 1 / y. Under a given angle of radiation, a certain wavelength A s ($) with a width of

15fifteen

д AS/AS I/NWd AS / AS I / NW

(б)(b)

20twenty

где Nw - число периодов в ондул торе-прототипе .where Nw is the number of periods in the ondul torus prototype.

Дл  плоского ондул тораFor flat ondul torus

где NW - число периодов A w ;where NW is the number of periods A w;

nw - число периодов .Д ;nw is the number of periods .D;

ДАв/As - минимальна  относительна  полуширина спектра излучени , на которую рассчитываетс  источник излучени .YES / As is the minimum relative half-width of the radiation spectrum for which the radiation source is calculated.

Дл  расчета спектрально-углового распределени  интенсивности излучени  обыч- но пользуютс  формулой дл  фурье-компоненты электрического пол  излучени  в волновой зонеTo calculate the spectral-angular distribution of the radiation intensity, one usually uses the formula for the Fourier component of the electric field of radiation in the wave zone

E(whE (wh

ik//4fn(n-4)/9ll ik // 4fn (n-4) / 9ll

()2 () 2

J (Ut - k г )J (Ut - k g)

где а) - частота излучени ;where a) is the radiation frequency;

k (о п/с - волновой вектор;k (about p / s is the wave vector;

п - единичный вектор, задающий направление излучени ;p is a unit vector defining the direction of radiation;

/8 - скорость электрона в единицах скорости света;/ 8 is the electron velocity in units of the speed of light;

р - рассто ние от ондул тора до точки наблюдени ;p is the distance from the undulator to the observation point;

NWT - полное врем  пролета электрона через ондул тор.NWT is the total time the electron travels through the undulator.

В соответствии с (5) поле излучени , генерируемое электроном в результате прохождени  через ондул тор, можно представить как сумму полей излучени  элементарных излучателей, расположенных вдоль траектории электрона. Суммирование должно проводитьС  с учетом эффекта запаздывани , т.е. с учетом относительного сдвига фаз излучателей, завис щего от скорости электрона и координат излучател .According to (5), the radiation field generated by the electron as a result of passing through the undulator can be represented as the sum of the radiation fields of elementary emitters located along the electron path. The summation should be carried out taking into account the delay effect, i.e. taking into account the relative phase shift of the emitters, depending on the speed of the electron and the coordinates of the emitter.

Л.Л.(1 +7Г + XZ0)/2 У2L.L. (1 + 7G + XZ0) / 2 U2

(7)(7)

„с где AW - период ондул тора;„Where AW is the period of the ondul torus;

К - посто нна  ондул тора, определ ема  величиной отклон ющего пол . В ди- польном приближении К 1.K is a constant undulator determined by the value of the deflecting field. In the dipole approximation, K 1.

В предлагаемом же способе соблю2Q дении условий (1)-(4) спектр элементарных излучателей остаетс  дипольным, соответствующим высокочастотным колебани м в короткопериодном ондул торе.In the proposed method, in compliance with conditions (1) - (4), the spectrum of elementary radiators remains dipole, corresponding to high-frequency oscillations in a short-period undulator.

Низкочастотные колебани  при тех жеLow-frequency oscillations at the same

е услови х привод т к адиабатическому изменению поперечных координат дипольных излучателей в некоторых ограниченных пределах . Область, занимаема  излучател ми, становитс  двумерной, а в общем случае иUnder these conditions, an adiabatic change in the transverse coordinates of dipole emitters is made within certain limited limits. The region occupied by the emitters becomes two-dimensional, and in the general case

4Q трехмерной. Наличие конечных поперечных размеров у источника излучени  приводит к по влению интерференционных максимумов и увеличению направленности излучени .4Q three-dimensional. The presence of finite transverse dimensions at the radiation source leads to the appearance of interference maxima and an increase in radiation directivity.

с Сильный эффект достигаетс  в случае, когда излучатели описывают в поперечной к оси Z плоскости не кривую, а некоторую площадь, например, круга. Очевидно, что угловые размеры пучка излучени  в этомc A strong effect is achieved when the emitters describe in the plane transverse to the Z axis not a curve, but a certain area, for example, a circle. Obviously, the angular dimensions of the radiation beam in this

CQ случае определ ютс  размером дифракционного максимумаCQ case is determined by the size of the diffraction maximum

0т 1.2As /D.0t 1.2As / D.

(8)(8)

где D - диаметр сечени  пучка излучени .where D is the diameter of the cross section of the radiation beam.

Формула (8) качественно иллюстрирует эффект сужени  углового распределени  излучени  предлагаемым способом за счет увеличени  поперечных размеров источника излучени .Formula (8) qualitatively illustrates the effect of narrowing the angular distribution of radiation by the proposed method by increasing the transverse dimensions of the radiation source.

В этом способе не нарушаютс  услови , привод щие к соотношени м (6) и (7), поэтому все ограничени  (6), (7) и (8) выполн ютс  одновременно. Это означает, что сужение углового распределени  типа (8) должно в силу (7) приводить к сужению спектра излучени , т.е. увеличению монохроматичности.In this method, the conditions leading to relations (6) and (7) are not violated, therefore, all restrictions (6), (7) and (8) are satisfied simultaneously. This means that the narrowing of the angular distribution of type (8) should, by virtue of (7), lead to a narrowing of the emission spectrum, i.e. increase in monochromaticity.

Конкретный вид спектра излучени  рассчитывают по формуле (5) с учетом параметров ондул торов, формы их полей, размеров и т.п. В частности, двухпериодный магнитный ондул тор, схема полей которого представлена на чертеже, обеспечивает траекторию электроновThe specific form of the emission spectrum is calculated by the formula (5) taking into account the parameters of the undulators, the shape of their fields, sizes, and the like. In particular, a two-period magnetic undulator, the field diagram of which is shown in the drawing, provides the electron trajectory

x R-sln Д-Z +aSln2 x R-sln D-Z + aSln2

7W7W

(9)(9)

у R at R

/ Vuu/ Vuu

где R - амплитуда циркул рных колебаний с пространственным периодом Л Iwhere R is the amplitude of circular oscillations with a spatial period Л I

а - амплитуда линейных колебаний с периодом Aw AW /клa - the amplitude of linear oscillations with a period Aw AW / CL

Использу  (9) и (5), можно показать, что спектрально-угловое распределение интенсивности излучени  при R 0 приобретает дополнительную зависимость, выражаемую через функцию Бессел  нулевого рангаUsing (9) and (5), it can be shown that the spectral-angular distribution of the radiation intensity at R 0 acquires an additional dependence expressed in terms of the zero-rank Bessel function

1 (AS;R)l(0JAsO) IJ0(0R)I21 (AS; R) l (0JAsO) IJ0 (0R) I2

(10)(10)

где (, в As , 0) - функци  спектрально-углового распределени  излучени  в линейном ондул торе без дополнительных циркул рных колебаний (R 0).where (, in As, 0) is the spectral-angular distribution function of the radiation in the linear undulator without additional circular oscillations (R 0).

При достаточно большом числе периодов ондул тора эта функци  отражает зависимость длины волны излучени  от угла излучени  (7) с точностью (6).With a sufficiently large number of undulator periods, this function reflects the dependence of the radiation wavelength on the radiation angle (7) with accuracy (6).

Путем изменени  амплитуд пол  длин- нопериодного ондул тора можно обеспечить адиабатическое изменение амплитуды низкочастотных колебаний А в пределах О АГ R.By changing the amplitudes of the field of the long-period undulator, it is possible to provide an adiabatic change in the amplitude of low-frequency oscillations A within O AG R.

В этом случае при достаточно большой длине ондул тора (nw 1) спектрально-угловое распределение принимает видIn this case, for a sufficiently long undulator (nw 1), the spectral-angular distribution takes the form

Ji() 1(О.Л..Ч) 1(0.Л.О)1   I2Ji () 1 (O.L..CH) 1 (0.L. O) 1 I2

(11) где Ji - функци  Бессел  первого ранга.(11) where Ji is the Bessel function of the first rank.

Из (10) и (11) видно, что при достаточно большой амплитуде циркул рных колебанийFrom (10) and (11) it can be seen that for a sufficiently large amplitude of circular oscillations

0R As(12)0R As (12)

по вл етс  эффект подавлени  излучени  При условии (3) этот эффект будет про вл тьс  в области углов излучени  в 1/у . что означает сужение углового и спектраль5 ного распределений излучени  одновременно . При этом электрон излучает вдоль своего направлени  движени  (оси Z) в пределах угла (8) с относительной шириной спектраthe effect of suppressing radiation appears Under condition (3), this effect will be manifested in the region of radiation angles of 1 / y. which means a narrowing of the angular and spectral distributions of radiation simultaneously. In this case, the electron emits along its direction of motion (Z axis) within the angle (8) with the relative width of the spectrum

ЮYU

AAe/As-CAey/ R)2(13)AAe / As-CAey / R) 2 (13)

Пример конкретного осуществлени  способа. При выборе параметров прототипаAn example of a specific implementation of the method. When choosing prototype options

15 Aw 5см. Nw 100, излучение сосредоточено в пределах угла в - со сплошным спектром от A s 375 А.15 Aw 5cm. Nw 100, the radiation is concentrated within the angle b - with a continuous spectrum from A s 375 A.

В предлагаемом способе при выборе In the proposed method, when choosing

J (АJ (A

параметров спирального ондул тора Л «у ™ 100 см, nw 5. К 1 излучение каждого электрона сосредоточено в пределах в - 1 6 10 рад, а спектр излучение сужаетс  иof the parameters of the spiral undulator «™ ™ 100 cm, nw 5. To 1, the radiation of each electron is concentrated in the range of - 1 6 10 rad, and the spectrum of radiation is narrowed and

„ представл ет собой линию с относительной шириной ( AAs/As ) 0,025. Эффект сужени  от 100% к 2,5%.Is a line with a relative width (AAs / As) of 0.025. The effect of narrowing from 100% to 2.5%.

Таким образом, предлагаемый способ позвол ет увеличить монохроматичность иThus, the proposed method allows to increase monochromaticity and

п направленность излучени  отдельного электрона , что в свою очередь позвол ет:n directivity of radiation of an individual electron, which in turn allows you to:

сн ть ограничени  на угловой разбросremove restrictions on angular spread

«г электронов и использовать электронные пучки с конечным угловым разбросом ( 1/ у) дл  генерации квазимонохроматического ондул торного излучени ;"D electrons and use electron beams with a finite angular spread (1 / y) to generate quasi-monochromatic undulator radiation;

Claims (3)

.« увеличить приемный угол излучени  вплоть до значений 1 / у в соответствии с реальными размерами приемника без вли ни  на спектр воспринимаемого излучени ; снизить энергетический разброс онду .( л торного излучени  электронного пучка до пределов, определ емых лишь энергетическим разбросом электронов в пучке. Формула изобретени  1. Способ генерировани  направленсп ных пучков электромагнитного излучени , заключающийс  в обеспечении поперечных колебаний электронов высокой энергии с амплитудой a J.G пространственным периодом A w путем воздействи  на них просе странственно-периодического магнитного пол  ондул торов или электромагнитных волн, отличающийс  тем, что. с целью сужени  углового распределени  и интегрального по углу частотного спектра излучени , на участке колебаний электронов возбуждают дополнительное магнитное поле ондул торов или электромагнитных волн с пространственным периодом Л ,обеспечивающее дополнительные циркул рные колебани  электронов, период Л w и амплитуда Аг которых удовлетвор ют выражени м. "Increase the receiving angle of the radiation up to 1 / y values in accordance with the actual dimensions of the receiver without affecting the spectrum of the perceived radiation; to reduce the energy spread of the ond. (l radiation of the electron beam to the limits determined only by the energy spread of the electrons in the beam. Claims 1. A method for generating directional beams of electromagnetic radiation, which consists in providing transverse vibrations of high-energy electrons with amplitude a JG spatial period A w by exposing them to a millet of spatially periodic magnetic polarizers or electromagnetic waves, characterized in that. in order to narrow the angular p distribution and integral over the angle of the frequency spectrum of radiation, in the area of electron oscillations, an additional magnetic field of undulators or electromagnetic waves with a spatial period A is excited, providing additional circular electron oscillations, the period A w and the amplitude Ar of which satisfy the expressions Aw 2л Aw и л- ад,1Aw 2l aw and l-hell, 1 2. Способ по п.1,отличающийс  тем, что, с целью повышени  монохроматичности в интегральном по углу частотном спектре излучени , амплитуды магнитных полей, обеспечивающих поперечные колебани  электронов, выбирают из услови  ди- польности соответствующих колебаний а л Aw /2 лу , Аг A w /2 пу , где у - рел тивистский фактор электрона, при этом амплитуду дополнительного магнитного пол  вдоль траектории электронов мен ют2. The method according to claim 1, characterized in that, in order to increase the monochromaticity in the angle-integrated radiation frequency spectrum, the amplitudes of the magnetic fields providing transverse vibrations of the electrons are selected from the condition that the corresponding oscillations are different: a l Aw / 2 lu, Ar A w / 2 pu, where y is the relativistic factor of the electron, and the amplitude of the additional magnetic field along the electron path changes н у( и / и t у( n y (and / and t y ( адиабатически без нарушени  услови  ди- польности колебанийadiabatically without violating the dipole condition 2  ах рт Z Armakc А«/2  у2 Ah RT Z Armakc A "/ 2 y 3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ и и - с   тем. что число периодов основного пол  NW, число периодов дополнительного пол  nw и амплитуды этих полей ограничивают снизу следующими услови ми3. The method according to PP. 1 and 2, on the basis of which. that the number of periods of the main field NW, the number of periods of the additional field nw and the amplitudes of these fields are limited from below by the following conditions Nw ( Л U/iU ) 1 nw 1Nw (L U / iU) 1 nw 1 (Arm8kc/2 ai)(AVAe)(Arm8kc / 2 ai) (AVAe) -1/2-1/2 где ДЛв/Лв - минимальна  допускаема  энергетическим разбросом электронов относительна  ширина спектра, на которую рассчитан источник излучени .where DL / LV is the minimum relative width of the spectrum allowed by the energy spread of the electrons for which the radiation source is designed. /V./ V. ww
SU894663602A 1989-03-20 1989-03-20 Method for generating directional beams of electromagnetic radiation RU1823162C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU894663602A RU1823162C (en) 1989-03-20 1989-03-20 Method for generating directional beams of electromagnetic radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU894663602A RU1823162C (en) 1989-03-20 1989-03-20 Method for generating directional beams of electromagnetic radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1823162C true RU1823162C (en) 1993-06-23

Family

ID=21434708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU894663602A RU1823162C (en) 1989-03-20 1989-03-20 Method for generating directional beams of electromagnetic radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1823162C (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Синхронное излучение. Свойства и применение / Под ред. К.Кунца Перев с англ, под ред. С.П.Капицы и М.М.Тернова. - М.: Мир. 1981, с. 526. Никитин М.М. и Эпп В.Я. Ондул торное излучение. - М.: Энергоатомиэдат, 1988, с. 152. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230236471A1 (en) Phase front shaping in one and two-dimensional optical phased arrays
Wu et al. Plane wave synthesis using near field wave spectrum transform embedded into intersection approach
RU1823162C (en) Method for generating directional beams of electromagnetic radiation
Shlivinski et al. A phase-space beam summation formulation for ultrawide-band radiation. II: A multiband scheme
Fuchs et al. Spherical lens antenna designs with particle swarm optimization
RU2677496C1 (en) Ultra-high frequencies antenna array with variable geometry slots
Zhang et al. Optimum beam waist radius under applied magnetic field for optimal radiation properties of nonlinear Thomson scattering
US20150228445A1 (en) Method and apparatus for three dimensional ion implantation
Appasani et al. A crossover improved genetic algorithm and its application in non-uniform linear antenna arrays
RU2610820C1 (en) Method of determining beam pattern of phased antenna array
US9660339B2 (en) Beam steering and manipulating apparatus and method
US20170205683A1 (en) Beam Steering And Manipulating Apparatus And Method
RU2582491C1 (en) Plasma antenna
Ram et al. Directivity improvement and optimal far field pattern of time modulated concentric circular antenna array using hybrid evolutionary algorithms
Gorobets et al. Wave processes in the near-field zone of large aperture antenna
Panigrahi et al. A waveguide transmitarray antenna for near-field millimeter-wave sensing applications
Kumar et al. Analysis of feed network efficiency in time-modulated linear and circular array
Sautbekov et al. Rigorous simulation of diffraction radiation effect: electrodynamics of periodic structures placed in the surface wave field of dielectric waveguides
US20200098348A1 (en) Device, System, and Method for Controlling the Focus of a Laser to Induce Plasmas that Emit Acoustic Pressure Waves to Control Movement of an Object
Youssef et al. Range-selective beamforming with reduced computation to illuminate/suppress multiple dot-like loci in the far field
Mohan et al. Design and analysis of linear, planar and circular array using ARRAY TOOL
Sudhakar et al. Realization of desired shaped beam array of helical antennas
Saito et al. Characteristics of Polarized Coherent Radiation in Thz Region From a Crossed-Undulator
RU2262797C2 (en) Nonlinear signal generation method
RU2757096C2 (en) Device for countering unauthorized transmission of control information by unauthorized devices