DE19819136A1

DE19819136A1 - Tunable electromagnetic radiation source

Info

Publication number: DE19819136A1
Application number: DE1998119136
Authority: DE
Inventors: Guenther Renz; Gerhard Spindler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 1999-11-11
Also published as: EP0954009A2; EP0954009A3

Abstract

Eine vorteilhafte abstimmbare elektromagnetische Strahlungsquelle umfaßt DOLLAR A eine Elektronenquelle zur Erzeugung beschleunigter Elektronen, welche als relativistischer, Elektronenstrahl austreten, ein sich mit seiner Achse parallel zur Längsrichtung erstreckendes Driftrohr, für den Elektronenstrahl, welches der Elektronenstrahl durchsetzt und welches als Wellenleiter für elektromagnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich ausgebildet ist, DOLLAR A ein longitudinales magnetisches Führungsfeld, welches das Driftrohr durchsetzt und sich parallel zur Längsrichtung erstreckt, einen das Driftrohr umgebenden und eine Periodizität in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung aufweisenden Microundulator, mit welchem ein zur Längsrichtung transversales Magnetfeld erzeugbar ist und welcher mit dem magnetischen Führungsfeld nahe Magnetoresonanz arbeitet, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Energie des Elektronenstrahls und zur Steuerung der Feldstärke des Führungsfeldes.An advantageous tunable electromagnetic radiation source comprises DOLLAR A an electron source for generating accelerated electrons which emerge as a relativistic electron beam, a drift tube with its axis extending parallel to the longitudinal direction, for the electron beam which passes through the electron beam and which acts as a waveguide for electromagnetic radiation in gigahertz - And terahertz range is formed, DOLLAR A is a longitudinal magnetic guiding field which penetrates the drift tube and extends parallel to the longitudinal direction, a microundulator surrounding the drift tube and having a periodicity in the order of the wavelength of the radiation, with which a magnetic field transverse to the longitudinal direction can be generated and which works with the magnetic guiding field near magnetoresonance, and with a control device for controlling the energy of the electron beam and for controlling the field strength of the guide field.

Description

Abstimmbare elektromagnetische Strahlungsquellen für den Gigahertz- und Terahertz-Bereich sind aus dem Stand der Technik nur als p-Ge-Laser bekannt, bei welchen die Proble matik besteht, bei ausreichender Leistung die Wärme aus dem Kristall abzuführen.Tunable electromagnetic radiation sources for the Gigahertz and Terahertz range are from the state of the Technology known only as p-Ge laser, in which the problems matik exists, with sufficient power the heat from the Dissipate crystal.

Ferner sind als Quellen für elektromagnetische Strahlungen freie Elektronen-Laser bekannt, die bisher bekannten Laser erfordern es jedoch, mit hoher Elektroenergie und hohen Feldern des Undulators zu arbeiten, um in den Submillimeter bereich zu kommen.They are also sources of electromagnetic radiation known free electron lasers, the previously known lasers however require it with high electrical energy and high Fields of the undulator to work in the submillimeter area to come.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektro magnetische Strahlungsquelle zu schaffen, bei welcher elek tromagnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich einerseits abstimmbar und andererseits mit möglichst wenig apparativem Aufwand erreichbar ist.The invention is therefore based on the object of an electro to create magnetic radiation source, in which elek tromagnetic radiation in the gigahertz and terahertz range on the one hand, tunable and on the other hand with as little as possible equipment effort is achievable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine abstimm bare elektromagnetische Strahlungsquelle umfassend eine Elek tronenquelle zur Erzeugung beschleunigter Elektronen, welche aus dieser in Form eines relativistischen, sich in einer Längsrichtung ausbreitenden Elektronenstrahls austreten, ein sich mit seiner Achse parallel zur Längsrichtung erstrecken des Driftrohr für den Elektronenstrahl, welches der Elektro nenstrahl durchsetzt und welches als sich parallel zur Längs richtung erstreckender Wellenleiter für elektromagnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich ausgebildet ist, ein longitudinales magnetisches Führungsfeld, welches das Driftrohr durchsetzt und welches in dem Driftrohr sich parallel zur Längsrichtung erstreckt, einen das Driftrohr umgebenden und eine Periodizität in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung aufweisenden Microundulator, mit welchem ein zur Längsrichtung transversales Magnetfeld erzeugbar ist und welcher mit dem magnetischen Führungsfeld nahe Magnetoresonanz arbeitet, und mit einer Steuereinrich tung zur Steuerung der Energie des aus der Elektronenquelle austretenden Elektronenstrahls und zur Steuerung der Feld stärke des Führungsfeldes.This object is achieved by a vote bare electromagnetic radiation source comprising an elec electron source for generating accelerated electrons, which out of this in the form of a relativistic, in one Emerge in the longitudinal direction propagating electron beam extend with its axis parallel to the longitudinal direction the drift tube for the electron beam, which the electro penetrated and which as parallel to the longitudinal directional waveguide for electromagnetic Radiation in the gigahertz and terahertz range is a longitudinal magnetic guiding field which penetrates the drift tube and which is in the drift tube extends parallel to the longitudinal direction, the drift tube surrounding and a periodicity of the order of magnitude Wavelength of the radiation having Microundulator, with which is a magnetic field transverse to the longitudinal direction is generated and which with the magnetic guide field works near magnetoresonance, and with a control device device for controlling the energy of the from the electron source emerging electron beam and to control the field strength of the leadership field.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Microundulators ist darin zu sehen, daß mit diesem mit sehr geringen magnetischen Feld stärken im Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 100 Gauss und einer Periodenlänge von einigen hundert Mikrometern gear beitet werden kann, um die Elektronen des Elektronenstrahls dazu zu bringen, elektromagnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich abzugeben, wobei hierzu Elektronen energien im Elektronenstrahl von bis zu 150 kV ausreichend sind. Ferner ist hierzu ein longitudinales magnetisches Füh rungsfeld von maximal 20 Tesla erforderlich, das auf Magneto resonanz oder nahe Magnetoresonanz mit der vom Microundulator induzierten Bewegung der Elektronen abgestimmt ist, das heißt, daß die vom Microundulator induzierte Frequenz unge fähr gleich der Zyklotronfrequenz im longitudinalen magne tischen Führungsfeld ist. Hiermit besteht die Möglichkeit, relativ starke reguläre transversale Elektronenoszillationen und demzufolge Verstärkung der spontanen Emission im Drif trohr zu erhalten.This is the advantage of the microundulator according to the invention to see that with this with very low magnetic field strengths in the range of about 10 to about 100 gauss and a period of a few hundred micrometers gear can be processed to the electrons of the electron beam to get gigahertz and electromagnetic radiation To give terahertz range, using electrons Sufficient energy in the electron beam of up to 150 kV are. Furthermore, there is a longitudinal magnetic guide field of up to 20 Tesla is required resonance or near magnetoresonance with that of the Microundulator induced motion of the electrons is tuned that means that the frequency induced by the Microundulator unge equal to the cyclotron frequency in the longitudinal magne table leadership field. It is possible to relatively strong regular transverse electron oscillations and consequently enhancement of spontaneous emission in the drif get tube.

Hinsichtlich der Ausbildung des Microundulators im einzelnen wurden bislang keine näherem Angaben gemacht. Bislang ist es nur bekannt, als Undulator Permanentmagnete oder Spulen zu verwenden.With regard to the training of the Microundulator in detail no further details have so far been given. So far it is only known as undulator permanent magnets or coils too use.

Ein erfindungsgemäß besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht jedoch vor, daß der Microundulator ein elektrisch iso lierend ausgebildetes Trägerrohr umfaßt und daß oberflächlich desselben aus elektrisch leitfähigen Schichten gebildete Strompfade vorgesehen sind, welche so verlaufen, daß sie ein Magnetfeld mit transversal zur Längsrichtung verlaufenden Komponenten erzeugen.An embodiment which is particularly preferred according to the invention However, the Microundulator provides an electrically iso encircled support tube and that superficially the same formed from electrically conductive layers Current paths are provided, which run so that they are a Magnetic field with transverse to the longitudinal direction Create components.

Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß dieser eine einfach zu realisierende Möglichkeit eröffnet, einen Micro undulator in den Dimensionen zu bauen, welche für die erfin dungsgemäße Lösung erforderlich sind, und insbesondere die Möglichkeit schafft, die erfindungsgemäßen Vorteile, nämlich geringe magnetische Feldstärken transversal zur Längsrichtung bei kleiner Periodenlänge zu erreichen, um die Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung im Gigahertz- und Terahertz- Bereich zu erzwingen.The advantage of this solution can be seen in the fact that this one easy to implement opens up a micro build undulator in the dimensions that are necessary for the inventor Appropriate solution are required, and in particular the Creates possibility, the advantages of the invention, namely low magnetic field strengths transverse to the longitudinal direction with a small period length to achieve the radiation electromagnetic radiation in gigahertz and terahertz Force area.

Ferner schafft ein derart aufgebauter Microundulator insbe sondere die Möglichkeit, einen Undulator mit einfachen Mitteln mit den gewünschten geringen Dimensionen, das heißt mit einem Durchmesser von weniger als 0,05 cm und einer Periodizität der Strompfade in derselben Größenordnung, zu bauen.Furthermore, a microundulator constructed in this way creates in particular special the possibility of using an undulator with simple Means with the desired small dimensions, that is with a diameter of less than 0.05 cm and one Periodicity of the current paths in the same order of magnitude to build.

Hinsichtlich des Verlaufs der Strompfade ist es besonders vorteilhaft, wenn diese in vorm helixartiger Windungen auf dem Träger verlaufen, wobei vorzugsweise jede Windung insbe sondere als streifenförmige Schicht auf dem Träger ausge bildet ist.It is special with regard to the course of the current paths advantageous if these are in front of helical turns run the carrier, preferably each turn in particular special as a strip-shaped layer on the carrier forms is.

Besonders günstig ist es dabei, wenn auf dem Trägerrohr zwei Strompfade vorgesehen sind, die von einem Ende des Träger rohrs zum anderen verlaufen.It is particularly favorable when two on the support tube Current paths are provided by one end of the carrier pipes to the other.

Jeder der Strompfade kann dabei so ausgebildet sein, daß er an einem Ende mit einer Stromleitung verbunden ist und am anderen mit der anderen Stromleitung. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die beiden Strompfade von einem Ende des Trägerrohrs zum anderen Ende verlaufen und im Bereich eines der beiden Enden elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese elektrische Verbindung läßt sich in besonders einfacher Weise dadurch herstellen, daß diese ein auf dem Trägerrohr angeordneter Verbindungssteg bildet. Der Verbin dungssteg könnte zusätzlich auf das Trägerrohr aufgesetzt sein und die beiden Strompfade kontaktieren. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Verbindungssteg ebenfalls als auf dem Trägerrohr aufgetragene Schicht ausgebildet ist.Each of the current paths can be designed so that it is connected at one end to a power line and at another with the other power line. Is particularly cheap however, if the two current paths from one end of the Carrier tube run to the other end and in the area of one the two ends are connected in an electrically conductive manner are. This electrical connection can be particularly produce in a simple way that this one on the Carrier tube arranged connecting web forms. The verb dungssteg could also be placed on the support tube be and contact the two current paths. Especially However, it is favorable if the connecting web is also available as layer applied to the support tube is formed.

Prinzipiell bestünde die Möglichkeit, die beiden Strompfade so zu legen, daß beispielsweise einer der Strompfade auf einer inneren Oberfläche des Trägerrohrs und der andere auf der äußeren Oberfläche des Trägerrohrs verläuft. In principle there would be the possibility of the two current paths so that, for example, one of the current paths an inner surface of the support tube and the other the outer surface of the support tube.

Besonders günstig lassen sich jedoch die Strompfade dann anordnen, wenn die zwei Strompfade auf derselben Oberfläche des Trägerrohrs verlaufen.However, the current paths can then be particularly inexpensive arrange if the two current paths are on the same surface of the support tube.

Insbesondere für die Herstellbarkeit der Strompfade ist es besonders günstig, wenn diese auf einer äußeren Mantelfläche des Trägerrohrs angeordnet sind.It is particularly important for the manufacturability of the current paths particularly favorable if this on an outer surface of the support tube are arranged.

In diesem Fall lassen sich helixartige Windungen besonders einfach dann realisieren, wenn die Windungen eines der Strompfade zwischen den Windungen des anderen Strompfades verlaufen. Dabei könnten die Windungen des einen Strompfades neben den Windungen des anderen Strompfades liegen und dann zwischen den nächsten Windungen größere Abstände vorgesehen sein. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Windungen eines der Strompfade ungefähr mittig zwischen den Windungen des anderen Strompfades verlaufen.In this case, helical windings can be used in particular simply realize if the turns are one of the Current paths between the turns of the other current path run. The turns of one current path could lie next to the turns of the other current path and then larger distances are provided between the next turns be. However, it is particularly favorable if the turns one of the current paths approximately in the middle between the turns of the other current path.

Hinsichtlich der Herstellung der durch Schichten auf dem Trägerrohr gebildeten Strompfade wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, mittels Masken und Aufdampftechnik die Strompfade auf der Oberfläche des Trägerrohrs aufzubringen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Strompfade durch Aufbringen einer durch gehenden elektrisch leitenden Schicht auf dem Träger und teilweises Abtragen derselben hergestellt sind.Regarding the manufacture of layers on the Carrier tube formed current paths have so far been no closer Information provided. So it would be conceivable, for example Masks and vapor deposition the current paths on the surface to apply the support tube. It is particularly cheap however, if the current paths are by applying one through going electrically conductive layer on the carrier and partial removal of the same are made.

Das teilweise Abtragen der Schicht könnte beispielsweise durch eine Masken- und Ätztechnik erfolgen. Besonders vor teilhaft ist es jedoch, wenn das teilweise Abtragen der elek trisch leitenden Schicht mittels Laserstrahlung, vorzugsweise mittels Laserablation erfolgt. The partial removal of the layer could, for example using a mask and etching technique. Especially before However, it is partial if the partial removal of the elec trically conductive layer by means of laser radiation, preferably by means of laser ablation.

Alternativ dazu ist es denkbar, wenn die die Strompfade bil denden Schichten auf der Oberfläche des Trägers durch ge zielte Laserablation eines Targetmaterials direkt in der ge wünschten Form auf das Trägerrohr aufgetragen werden.Alternatively, it is conceivable if the current paths bil end layers on the surface of the carrier by ge targeted laser ablation of a target material directly in the ge desired shape can be applied to the support tube.

Um eine günstige Führung dem Elektronenstrahls zu erreichen und insbesondere eine günstige Wechselwirkung desselben mit den Feldern des Microundulators und des Führungsfeldes ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Driftrohr einen Innendurch messer in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagne tischen Strahlung aufweist.To achieve a favorable guidance of the electron beam and in particular a favorable interaction with it the fields of the microundulator and the leadership field preferably provided that the drift tube has an inside knife in the order of the wavelength of the electromagnetic table radiation.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß das Driftrohr mit dem Trägerrohr des Microundulators identisch ist, so daß das Trägerrohr einerseits mit seiner inneren Wandfläche den Wellenleiter für die elektromagnetische Strahlung bildet und andererseits auf seiner äußeren Umfangsfläche die Windungen des Microundulators trägt.A particularly favorable solution provides that the drift tube is identical to the support tube of the Microundulator, so that the carrier tube on the one hand with its inner wall surface Forms waveguides for electromagnetic radiation and on the other hand, the turns on its outer peripheral surface of the microundulator.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist auch darin zu sehen, daß mit dem erfindungsgemäßen Konzept, näm lich einem Microundulator mit einer Periodizität in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Strah lung, die Möglichkeit besteht, auch eine Elektronenquelle einzusetzen, die einen schwach relativistischen Elektronen strahl, beispielsweise mit Elektronenenergien in der Größen ordnung von ungefähr 100, beispielsweise in der Größenordnung von 50 bis 200 kV erzeugt. Eine derartige Elektronenquelle ist weit einfacher aufzubauen als die bislang eingesetzten Elektronenquellen die Elektronenstrahlen im relativistischen Bereich mit Energien von einigen MeV erzeugen. A particular advantage of the solution according to the invention is also to see that with the concept of the invention, näm Lich a microundulator with a periodicity in the Magnitude of the wavelength of the electromagnetic beam tion, there is also the possibility of an electron source use a weak relativistic electron beam, for example with electron energies in sizes order of about 100, for example of the order of magnitude generated from 50 to 200 kV. Such an electron source is much easier to set up than the ones used so far Electron sources the electron beams in relativistic Generate area with energies of several MeV.

Das erfindungsgemäße Konzept ist somit aufgrund der Kombi nation des Microundulators, das Betreiben der gesamten An ordnung im Bereich oder nahe der Magnetoresonanz und des Ein satzes einer Elektronenquelle, welche einen schwach relati vistischen Elektronenstrahl erzeugt, besonders einfach aufge baut und erlaubt mit geringem apparativem Aufwand, und geringen Feldstärken des Microundulators, beispielsweise im Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 50 Gauss, elektromagne tische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich zu erzeugen.The concept according to the invention is therefore based on the station wagon nation of the Microundulator, the operation of the entire An Order in or near the magnetoresonance and the Ein set of an electron source, which has a weak relati generated electron beam, particularly simply applied builds and allows with little equipment, and low field strengths of the microundulator, for example in Range from about 10 to about 50 gauss, electromagnetic radiation in the gigahertz and terahertz range produce.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung eines Ausführungsbeispiels.Other features and advantages of the invention are the subject the following description and the graphic Dar position of an embodiment.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Ausführungs beispiel einer erfindungsgemäßen Strahlungs quelle; Fig. 1 is a schematically illustrated embodiment example of a radiation source according to the invention;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines in der Strahlungsquelle eingesetzten erfindungs gemäßen Microundulators und Fig. 2 is an enlarged view of a fiction, according to the invention used Microundulators and

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Her stellung des erfindungsgemäßen Microundu lators. Fig. 3 is a schematic representation of a Her position of the Microundu lators invention.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen abstimmbaren Strahlungsquelle, welche ähnlich dem Prinzip eines freien Elektronenlasers arbeitet, umfaßt eine Elektronenquelle 10, welche in einem gepulsten oder quasi kontinuierlichen Mode beschleunigte Elektronen erzeugt, welche aus dieser in Form eines relativistischen Elektronenstrahls 12 austreten, der sich in einer Längsrichtung 14 erstreckt. Die Elektronen quelle 10 ist dabei so aufgebaut, daß der Elektronenstrahl Elektronenströme im Bereich von Mikroampere bis einige Milli ampere erzeugen kann.An exemplary embodiment of a tunable radiation source according to the invention, which works similarly to the principle of a free electron laser, comprises an electron source 10 which generates accelerated electrons in a pulsed or quasi-continuous mode, which emerge from this in the form of a relativistic electron beam 12 which extends in a longitudinal direction 14 extends. The electron source 10 is constructed so that the electron beam can generate electron currents in the range from microamperes to a few milliamps.

Der Elektronenstrahl 12 durchsetzt ein Driftrohr 16, welches sich ebenfalls vorzugsweise parallel zur Längsrichtung 14 und koaxial zum Elektronenstrahl 12 erstreckt und einerseits den Elektronenstrahl 12 führt, andererseits als Wellenleiter für die zu erzeugende elektromagnetische Strahlung im Gigahertz- und und Terahertz-Bereich dient und hierzu mit einer für elektro magnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Bereich reflektierenden Innenfläche 18 versehen ist, die somit auch die elektromagnetische Strahlung in der Längsrichtung 14 führt.The electron beam 12 passes through a drift tube 16 , which also preferably extends parallel to the longitudinal direction 14 and coaxially to the electron beam 12 and on the one hand guides the electron beam 12 , on the other hand serves as a waveguide for the electromagnetic radiation to be generated in the gigahertz and terahertz range and for this purpose an inner surface 18 reflecting for electromagnetic radiation in the gigahertz and terahertz range is provided, which thus also guides the electromagnetic radiation in the longitudinal direction 14 .

Das Driftrohr 16 weist dabei an einem der Elektronenquelle 10 zugewandten Ende ein Metallgitter 20 auf, welches dem Elek tronenstrahl 12 erlaubt, durch dieses ungehindert hindurch zutreten, welches jedoch andererseits die elektromagnetische Strahlung im Wellenleiter 16 zum entgegengesetzten Ende reflektiert.The drift tube 16 has at one end facing the electron source 10 a metal grid 20 which allows the electron beam 12 to pass through it unhindered, but which on the other hand reflects the electromagnetic radiation in the waveguide 16 to the opposite end.

Am entgegengesetzten Ende ist der Wellenleiter 16 vorzugs weise mit einem Halbleitergitter 20 versehen, welches als teildurchlässiger Spiegel für die elektromagnetische Strah lung wirkt und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zurückreflektiert, während ein anderer Teil der elektromagne tischen Strahlung ausgekoppelt wird und als Austrittsstrahl 24 den Wellenleiter 16 verläßt.At the opposite end, the waveguide 16 is preferably provided with a semiconductor grating 20 , which acts as a partially transparent mirror for the electromagnetic radiation and reflects part of the electromagnetic radiation, while another part of the electromagnetic radiation is coupled out and as an exit beam 24, the waveguide 16 leaves.

In dem Driftrohr 16 liegt ferner noch ein longitudinales magnetisches Führungsfeld 30 vor, welches sich im wesent lichen parallel zur Längsrichtung 14 in dem Driftrohr 16 erstreckt und durch eine Magnetspule 32, vorzugsweise eine supraleitende Spule, erzeugt wird, welche das Driftrohr 16 umschließt.In the drift tube 16 there is also a longitudinal magnetic guide field 30 which extends in parallel to the longitudinal direction 14 in the drift tube 16 and is generated by a magnetic coil 32 , preferably a superconducting coil, which encloses the drift tube 16 .

Das longitudinale magnetische Führungsfeld 30 innerhalb des Driftrohrs 16 hat dabei eine hohe Homogenität und weist Feld stärken im Bereich von wenigen Tesla bis maximal ungefähr 25 Tesla auf.The longitudinal magnetic guide field 30 within the drift tube 16 has a high degree of homogeneity and has field strengths in the range from a few Tesla to a maximum of approximately 25 Tesla.

Das Driftrohr 16 umschließend und innerhalb der Magnetspule 32 ist ferner noch ein Microundulator 40 oder Mikrowiggler vorgesehen, welcher beispielsweise einen inneren Radius von 0,02 cm aufweist und eine Länge von einigen Zentimetern hat.Enclosing the drift tube 16 and inside the magnetic coil 32 there is also a microundulator 40 or microwiggler which, for example, has an inner radius of 0.02 cm and a length of a few centimeters.

Mit dem Mikrowiggler 40 werden dabei dem longitudinalen Füh rungsfeld 30 quer zu diesem verlaufende Feldkomponenten über lagert.With the Microwiggler 40 , the longitudinal Füh approximately 30 field transverse to this field components overlays.

Sowohl der Microundulator 40 als auch die Magnetspule 32 sowie die Elektronenquelle 10 werden durch eine Steuerung 50 derart betrieben, daß der Microundulator 40 in Magnetoreso nanz mit dem starken longitudinalen Führungsfeld 30 arbeitet oder nahe der Magnetoresonanz, so daß elektromagnetische Strahlung Gigahertz- und Terahertz-Bereich abstimmbar erzeugt werden kann. Both the Microundulator 40 and the magnetic coil 32 and the electron source 10 are operated by a controller 50 such that the Microundulator 40 works in magnetoresonance with the strong longitudinal guide field 30 or close to the magnetoresonance, so that electromagnetic radiation gigahertz and terahertz range can be generated in a tunable manner.

Die Bedingungen für die Magnetoresonanz sind dabei in der Zeitschrift "Physics of Plasmas" Vol. 1, No. 2, February 1994, Seite 398 bis 403 in dem Aufsatz von G. Spindler und G. Renz mit dem Titel "Free-electron lasers: Scaling laws of mircoundulator operation in magnetoresonance with a strong guide field" im Detail beschrieben.The conditions for magnetoresonance are in the Journal "Physics of Plasmas" Vol. 1, No. February 2 1994, pages 398 to 403 in the article by G. Spindler and G. Renz entitled "Free-electron lasers: Scaling laws of mircoundulator operation in magnetoresonance with a strong guide field "in detail.

Bei der erfindungsgemäßen abstimmbaren elektromagnetischen Strahlungsquelle oszillieren die Elektronen des Elektronen strahls 12 in dem Driftrohr 16 unter dem Einfluß des longitu dinalen Führungsfelds 30 und der transversalen Komponenten des Felds des Microundulators 40 oder Mikrowigglers. Dabei wird vorzugsweise der Microundulator 40 mit einer Feldstärke von in der Größenordnung ungefähr 10 bis ungefähr 50 Gauss bei einem starken magnetischen Führungsfeld 30 von mehreren, ungefähr 2 bis ungefähr 5 Tesla betrieben.In the tunable electromagnetic radiation source according to the invention, the electrons of the electron beam 12 oscillate in the drift tube 16 under the influence of the longitudinal guide field 30 and the transverse components of the field of the microundulator 40 or microwiggler. In this case, the microundulator 40 is preferably operated with a field strength of the order of approximately 10 to approximately 50 Gauss with a strong magnetic guiding field 30 of several, approximately 2 to approximately 5 Tesla.

Der Microundulator 40 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, so auf gebaut, daß auf einem elektrisch isolierenden Trägerrohr 60, vorzugsweise einem Glasrohr, ein erster Strompfad 62 und ein zweiter Strompfad 64 angeordnet sind, welche beide in Form von auf einer Außenmantelfläche 66 des Trägerrohrs 60 ange ordneten elektrisch leitenden streifenförmigen Schichten auf gebaut sind, die in der Längsrichtung 14 eine Breite B auf weisen und sich bezüglich der parallel zu der Längsrichtung 14 verlaufenden Mittelachse 68 des Trägerrohrs 60 in Form helixförmiger Windungen 70, 72 von einem ersten Ende 74 des Microundulators 40 zu einem zweiten Ende 76 desselben erstrecken. Dabei liegen die Windungen, beispielsweise die Windung 72a, des zweiten Strompfades 64 stets zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen, beispielsweise den Windungen 70a und 70b, des ersten Strompfades 62, wobei die Periodizi tät P der Helixform der Windungen 70 und 72 dieselbe ist und in der Größenordnung von 0,04 cm liegt.The Microundulator 40 is, as shown in Fig. 2, built on that on an electrically insulating support tube 60 , preferably a glass tube, a first current path 62 and a second current path 64 are arranged, both in the form of on an outer surface 66 of the Carrier tube 60 are arranged on electrically conductive strip-shaped layers, which have a width B in the longitudinal direction 14 and are with respect to the central axis 68 of the carrier tube 60 running parallel to the longitudinal direction 14 in the form of helical windings 70 , 72 from a first end 74 of the Extend Microundulators 40 to a second end 76 thereof. The turns, for example the turn 72 a, of the second current path 64 always lie between two successive turns, for example the turns 70 a and 70 b, of the first current path 62 , the periodicity P of the helical shape of the turns 70 and 72 being the same and is on the order of 0.04 cm.

Die Strompfade 62 und 64 bildenden Windungen 70 und 72 er strecken sich von dem Ende 74 bis zu dem Ende 76, wobei in dem Bereich des Endes 76 die letzte Windung 70n mit der letzten Windung 72n über einen Verbindungssteg 74 verbunden ist, welcher ebenfalls als leitfähige Schicht auf der Außen mantelfläche 66 des Trägerrohrs 60 angeordnet ist.The current paths 62 and 64 form windings 70 and 72 , they extend from the end 74 to the end 76 , the last turn 70 n being connected to the last turn 72 n in the region of the end 76 via a connecting web 74 , which likewise is arranged as a conductive layer on the outer surface 66 of the support tube 60 .

Sind jeweils die ersten Windungen 70a und 72a im Bereich des ersten Endes 74 mit Stromzuleitungen 76 und 78 verbunden und erfolgt eine Stromeinspeisung beispielsweise über die Strom zuleitung 76 in die erste Windung 70a des ersten Strompfades 62, so fließt ein Strom I mit einem ersten Drehsinn 80 ent lang des ersten Strompfades 62 vom ersten Ende 74 bis zum zweiten Ende 76 des Trägerrohrs 60, geht dort über den Ver bindungssteg 74 in den zweiten Strompfad 64 über und fließt mit einem entgegengesetzten Drehsinn 82 vom zweiten Ende 76 zurück bis zum ersten Ende 74 im zweiten Strompfad 64, so daß der Strom über die Stromzuleitung 78 wieder abfließt.If the first turns 70 a and 72 a are connected in the area of the first end 74 to power supply lines 76 and 78 and current is fed, for example, via the power supply line 76 into the first turn 70 a of the first current path 62 , a current I flows with a first direction of rotation 80 ent along the first current path 62 from the first end 74 to the second end 76 of the carrier tube 60 , there passes over the connecting web 74 into the second current path 64 and flows with an opposite direction of rotation 82 from the second end 76 back to the first End 74 in the second current path 64 , so that the current flows out again via the current feed line 78 .

Aufgrund der Anordnung der Windungen 72 des zweiten Strom pfades 64 zwischen den Windungen 70 des ersten Strompfades 62 fließt somit in der Längsrichtung 14 gesehen in jeweils auf einanderfolgenden Windungen 70, 72 der Strom I in entgegen gesetzter Richtung und erzeugt somit in dem Driftrohr 16 ein Magnetfeld mit transversal zum Führungsfeld 30 verlaufenden Feldlinien 84, so daß insgesamt die Elektronen des Elektro nenstrahls 12 in dem Driftrohr 16 unter dem sich überlagern den Einfluß zweier magnetischer Felder, nämlich des longitu dinalen Führungsfeldes 30 und des transversalen Feldes 84 des Microundulators 40 oszillieren und somit die elektromagne tische Strahlung erzeugen.Due to the arrangement of the windings 72 of the second current path 64 between the windings 70 of the first current path 62 , the current I flows in the longitudinal direction 14 in successive windings 70 , 72 in the opposite direction and thus generates a magnetic field in the drift tube 16 with field lines 84 running transversely to the guide field 30 , so that overall the electrons of the electron beam 12 in the drift tube 16 under which the influence of two magnetic fields, namely the longitudinal guide field 30 and the transverse field 84 of the microundulator 40, oscillate and thus the generate electromagnetic radiation.

Vorzugsweise ist der Microundulator 40 so ausgebildet, daß die Abstände A zwischen einander zugewandten Seitenrändern 86 und 88 aufeinanderfolgender Wicklungen 72, 70 stets gleich sind, ebenso die Breite B der einzelnen Windungen 70, 72 zwischen den beiden Seitenkanten 86, 90 derselben, so daß damit auch die Periodizität beider Strompfade identisch ist.The microundulator 40 is preferably designed such that the distances A between mutually facing side edges 86 and 88 of successive windings 72 , 70 are always the same, as is the width B of the individual windings 70 , 72 between the two side edges 86 , 90 of the same, so that with it the periodicity of both current paths is also identical.

Das Trägerrohr 60 hat vorzugsweise einen Außendurchmesser von ungefähr 0,04 cm und einen Innendurchmesser von 0,035 cm und die Breite B der Windungen beträgt ungefähr 0,005 cm und die Dicke der die Windungen 70, 72 der Strompfade 62, 64 bilden den Schicht beträgt ungefähr 0,0005 cm.The carrier tube 60 preferably has an outer diameter of approximately 0.04 cm and an inner diameter of 0.035 cm and the width B of the windings is approximately 0.005 cm and the thickness of the windings 70 , 72 of the current paths 62 , 64 forms the layer is approximately 0. 0005 cm.

Vorteilhafterweise bildet das Trägerrohr 60 gleichzeitig das Driftrohr 16 und somit auch den Wellenleiter für die elektro magnetische Strahlung.Advantageously, the carrier tube 60 simultaneously forms the drift tube 16 and thus also the waveguide for the electromagnetic radiation.

Ein derartiger Microundulator 40 läßt sich, wie beispiels weise in Fig. 3 dargestellt, dadurch herstellen, daß das Trägerrohr 60 mit einer homogenen durchgehenden Schicht 92 aus elektrisch leitfähigem Material versehen wird und daß das elektrisch leitfähige Material in allen Zwischenbereichen 94 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen 70, 72 mittels eines Laserstrahls 96, beispielsweise durch Laserablation, abgetragen wird und somit die Windungen 70, 72 auf dem elek trisch isolierenden Trägerrohr 60 übrig bleiben. Hierzu wird der Laserstrahl 96 mit einem Auftreffpunkt 98 beispielsweise oszillierend in Richtung 100 bewegt, welche ungefähr in Längsrichtung 14 verläuft, jedoch eine Amplitude aufweist, die ungefähr dem Abstand A einander zugeordneter Ränder 86, 88 aufeinanderfolgender Wicklungen 72, 70 entspricht, und ferner wird das Trägerrohr 60 um die Mittelachse 68 gedreht, so daß sukzessive die Beschichtung zwischen den zwei aufein anderfolgenden Windungen 70, 72 abgetragen wird und die helixförmigen Windungen auf dem Trägerrohr 60 übrig bleiben, wobei schließlich auch noch der Verbindungssteg 74 ent sprechend hergestellt wird.Such Microundulator 40 can be, as example, in FIG. 3, produced by the fact that the support tube is provided 60 with a homogeneous continuous layer 92 of electrically conductive material and that the electrically conductive material in all intermediate portions 94 between two consecutive turns 70 , 72 is removed by means of a laser beam 96 , for example by laser ablation, and thus the windings 70 , 72 remain on the electrically insulating support tube 60 . For this purpose, the laser beam 96 is moved with an impact point 98, for example, oscillating in the direction 100 , which runs approximately in the longitudinal direction 14 , but has an amplitude which corresponds approximately to the distance A of mutually assigned edges 86 , 88 of successive windings 72 , 70 , and furthermore this becomes Carrier tube 60 rotated about the central axis 68 , so that the coating between the two successive turns 70 , 72 is successively removed and the helical turns remain on the support tube 60 , and finally the connecting web 74 is produced accordingly.

Claims

1. Comprehensive tunable electromagnetic radiation source
an electron source ( 10 ) for generating accelerated electrons, which emerge from this in the form of a relati vistic electron beam ( 12 ) which spreads in a longitudinal direction ( 14 ),
an with its axis parallel to the longitudinal direction ( 14 ) extending drift tube ( 16 ), for the electron beam ( 12 ) which the electron beam ( 12 ) passes through and which as a parallel to the longitudinal direction ( 14 ) extending waveguide for electromagnetic radiation in gigahertz - and terahertz range is formed,
a longitudinal magnetic guide field, which passes through the drift tube (16) and which extends in the drift tube (16) parallel to the longitudinal direction (14),
a surrounding the drift tube ( 16 ) and a periodi zity in the order of the wavelength of the radiation ( 24 ) having Microundulator ( 40 ) with which a transverse to the longitudinal direction ( 14 ) magnetic field ( 84 ) can be generated and which with the magnetic guide field ( 30 ) works close to magnetoresonance, and with a control device ( 50 ) for controlling the energy of the electron beam ( 12 ) emerging from the electron source ( 10 ) and for controlling the field strength of the guide field ( 30 ).

2. Radiation source according to claim 1, characterized in that the microundulator ( 40 ) comprises an electrically insulating support tube ( 60 ) and the surface of the same formed from electrically conductive layers current paths ( 62 , 64 ) are provided, which extend so that they generate a magnetic field ( 84 ) with components running transversely to the longitudinal direction ( 14 ).

3. Radiation source according to claim 2, characterized in that the current paths ( 62 , 64 ) in the form of helical windings ( 70 , 72 ) on the carrier ( 60 ).

4. Radiation source according to claim 3, characterized in that each of the windings ( 70 , 72 ) is designed as a strip-shaped layer on the carrier ( 60 ).

5. Radiation source according to one of claims 2 to 4, characterized in that on the carrier tube ( 60 ) two current paths ( 62 , 64 ) are provided which ver from one end ( 74 ) of the carrier tube ( 60 ) to the other end ( 76 ) to run.

6. Radiation source according to one of claims 2 to 5, characterized in that the two current paths ( 60 , 62 ) extend from one end ( 74 ) of the support tube to the other end ( 76 ) and in the region of one ( 76 ) of the two ends ( 74 , 76 ) are connected to one another in an electrically conductive manner.

7. Radiation source according to claim 6, characterized in that for connecting the current paths ( 62 , 64 ) on the support tube ( 60 ) arranged connecting web ( 73 ) is provided.

8. Radiation source according to claim 7, characterized in that the connecting web ( 73 ) is formed as a layer applied to the support tube ( 60 ).

9. Radiation source according to one of claims 2 to 8, characterized in that the two current paths ( 62 , 64 ) on the same surface ( 66 ) of the support tube ( 60 ) run ver.

10. Radiation source according to claim 9, characterized in that the surface of the carrier tube ( 60 ) is an outer lateral surface ( 66 ) of the same.

11. Radiation source according to one of claims 3 to 10, characterized in that the turns ( 70 ) of one of the current paths ( 62 ) between the turns ( 72 ) of the other current path ( 64 ).

12. Radiation source according to claim 11, characterized in that the turns ( 70 ) of one of the current paths ( 62 ) extend approximately centrally between the turns ( 72 ) of the other current path ( 64 ).

13. Radiation source according to one of the preceding claims, characterized in that the current paths ( 62 , 64 ) are produced by applying a continuous electrically conductive layer ( 92 ) on the carrier ( 60 ) and partially removing the same.

14. Radiation source according to claim 13, characterized in that the current paths ( 62 , 64 ) are made by wearing the electrically conductive layer ( 92 ) by means of laser radiation ( 96 ).

15. Radiation source according to one of the preceding claims, characterized in that the drift tube ( 16 ) has an inner diameter in the order of magnitude of the wavelength of the radiation ( 24 ).

16. Radiation source according to one of the preceding claims, characterized in that the electron source ( 10 ) generates a weak relativistic electron beam ( 12 ).