СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ЭМИССИОННЫЙ ОНДУЛЯТОР

Полезная модель, Сверхпроводниковый эмиссионный ондулятор (далее - СЭО), относится к областям электронной и ионной оптики, рентгенооптике. Полезная модель может быть применена при создании: квантовых генераторов излучения различных частот, вплоть до рентгеновских; ондуляторов; лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Из уровня техники известно, что современные ЛСЭ, вигглеры и ондуляторы способны генерировать электромагнитное излучение в широком диапазоне частот вплоть до рентгеновского диапазона. Однако генерирование излучения на свободных электронах связано с необходимостью создания дополнительных устройств для разгона электронных пучков до релятивистских скоростей и фокусировки пучков. В результате установки для генерации излучений могут быть очень громоздки, энергоемки и дороги. Кроме того, размеры перечисленных квантовых генераторов обусловлены размерами необходимых элементов, создающих переменное магнитное поле для изменения направления движения электронов: https:ru.//wikipedia.org/wiki/Лазер_на_свободных_электронах. Ранее предлагалась также конструкция кредитрона, где пучок электронов после ускорения попадал в скрещенные магнитное и электрическое поля, где происходила генерация излучения. В кредитроне отсутствуют элементы, генерирующие переменное магнитное поле, однако, для создания в нем монохроматического и когерентного излучения все равно необходимы системы разгона электронов до релятивистских скоростей и их фокусировки (см. Вест. Моск. Ун-та, Сер. 3, Физика Астрономия, 1992, Т. 33, №3). Задача данной полезной модели - создание устройства, которое генерирует монохроматическое и когерентное электромагнитное излучение индуцированных электронных пучков, малого эмиттанса, является компактным, не требует дополнительных приспособлений для разгона электронов до релятивистских скоростей. Предлагаемое решение отличается от описанных также тем, что для генерации излучения используется электроны, которые становятся «свободными» лишь при воздействии индуцирующего излучения. Результатом использования данной полезной модели будет появление более компактных устройств, применяющихся в областях генерации излучений, рентгеноскопии. Для решения поставленной задачи необходимо:
- изготовить основной сверхпроводниковый катод с малой работой выхода, который одновременно мог бы являться проводником тока с нулевым сопротивлением;
- изготовить анод, который располагался бы на определенном расстоянии от катода;
- поместить катод и анод в специальную вакуумную емкость, один из торцов которой был бы прозрачен для излучения;
- изготовить систему индуцированного зажигания, которая может представлять из любой источник когерентного электромагнитного излучения, в том числе короткий заостренный дополнительный катод с малой работой выхода в пространстве между анодом и основным катодом (то есть ближе к аноду, чем основной катод) либо небольшой участок основного катода, покрытый материалом, уменьшающим работу выхода по сравнению с остальной поверхностью основного катода, либо заостренный выступ катода в направлении анода, либо дополнительный катод может иметь достаточную длину и выполнять роль не только индуцирующей системы, но и взять на себя функции основного катода, в то время как основной катод становился бы сверхпроводящим контуром с током для создания магнитного поля между анодом и катодом;
- рассчитать систему источников питания для создания требуемой разности потенциалов между катодом и анодом;
- рассчитать магнитное поле, создаваемое сверхпроводником с током (катодом).
- изготовить систему охлаждения катодов, которой может являться, например, емкость с хладагентом, в которую помещены части катодов.
Сущностью полезной модели является использование для генерации электромагнитного излучения индуцированной эмиссии электронов из сверхпроводника. СЭО может иметь вид цилиндрического кожуха (к которому примыкает резервуар с хладагентом), внутри которого находятся катод и анод в вакууме и может быть, в принципе, создана путем:
- использования в качестве основного катода, сверхпроводящего провода (например на основе современных материалов с высокой температура перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO), покрытой тонким слоем оксида бария для снижения работы выхода, проволока замкнута сама на себя за пределами цилиндрического кожуха в резервуаре с хладагентом;
- использования в качестве анода, металлического провода, расположенной вдоль катода в цилиндрическом кожухе;
- использования цилиндрической оболочки, внутри которой в вакууме находятся катод и анод, причем участок катода составляет одну из частей боковой поверхностей кожуха, а остальная часть катода погружена в резервуар с хладагентом для того, чтобы сверхпроводниковый материал катода охлаждался до температуры сверхпроводимости, при этом один из торцов оболочки прозрачен для генерируемого электромагнитного излучения;
- использования резервуара с хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), одной из поверхностей которого является поверхность цилиндрической вакуумной емкости в области нахождения участка катода;
- использования короткого заостренного дополнительного катода, который расположен между анодом и основным катодом у торца, противоположного торцу, из которого выходит излучение. Вместо дополнительного катода может использоваться весьма малый участок основного катода, покрытый материалом обеспечивающим работу выхода, меньшую, чем у остальной части основного катода; либо вместо дополнительного катода может использоваться небольшой заостренный выступ (направленный к аноду) основного катода (система создания индуцирующего излучения может быть также любой другой системой, генерирующей электромагнитные волны, с амплитудой колебаний напряженности электрического поля, достаточной для того, чтобы в СЭО возникала периодическая эмиссия электронов из основного катода, излучающих, в свою очередь, когерентные электромагнитные волны);
- источника питания (которым может являться, в частности, конденсатор), подсоединяемого положительным полюсом к аноду, отрицательным - к катоду либо подключающимся только к аноду положительным полюсом.
Как уже упоминалось ранее, современные ЛСЭ требуют подключения к ускорителям, накопителям и системам фокусировки электронных пучков для создания релятивистских электронных пучков с приемлемым эмиттансом. Предлагается предварительно охлаждать основной катод до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. Далее предлагается постепенно навести в замкнутом основном катоде электрический ток. Этот ток будет током высокой плотности и незатухающим. В пространстве между основным катодом и анодом возникнет магнитное поле, направленное перпендикулярно к осям катода и анода. В момент, когда источник питания присоединяется положительным полюсом к аноду, а отрицательным - к замкнутому сверхпроводниковому основному катоду с током, в промежутке между анодом и катодом возникает напряженность электрического поля. При этом между анодом и основным катодом напряженность электрического поля не превышает некоторое пороговое значение для эмиссии электронов из основного катода за исключением участка основного катода с меньшей работой выхода, этот участок начинает эмитировать электроны.
Электроны начинают покидать указанный участок в порядке над барьерной эмиссии или в порядке туннелирования (в зависимости от значения работы выхода материала, из которого происходит эмиссия). В случае над барьерной эмиссии из участка основного катода покидают катод электроны, образующие куперовские пары и находящиеся на дне энергетической щели. Эти электроны обладают одной и той же энергией и, соответственно, движутся по одинаковым траекториям, покидая катод. Если электроны покидают участок катода в порядке туннелирования через потенциальный барьер, сниженный и суженный электрическим полем, то их энергии также близки по значению, потому что для ту ннелирования они должны иметь близкие длины волн, превышающие ширину потенциального барьера (длина волны прямо пропорциональна скорости электрона, а энергия электрона прямо пропорциональна квадрату скорости электрона). Так как в пространстве между анодом и катодом присутствует поперечное магнитное поле, траектория эмитированных электронов искривляется (магнитное поле искривляет траекторию движения электрона так, что он может не достигнуть анода и вернуться к катоду). Движение по кривой - это движение с ускорением, а значит, эмитированные электроны будут излучать, теряя скорость дрейфа и постепенно приближаясь к аноду. Кванты, излученные эмитированными электронами в точках поворота электрона к катоду будут двигаться параллельно основному катоду по направлению к противоположному торцу цилиндрической оболочки. Указанные кванты по определению являются колебаниями электрического и магнитного поля, а значит они, проходя над основным катодом, создают области повышенной и пониженной напряженности электрического поля вблизи поверхности основного катода. Таким образом, над областями основного катода, где создаются повышенные напряженности электрического поля, создается напряженность, необходимая для эмиссии электронов из основного катода. При этом эмиссия может иметь как над барьерный характер, так и туннельный. В обоих случаях энергии эмитированных электронов должны иметь близкие значения, а траектории - близкие ларморовские радиусы. Электроны, эмитированные вдоль всей остальной части основного катода, также движутся по кривым и постепенно поворачивают в сторону основного катода. Электромагнитные волны, которые они излучают, находясь в точках траектории, наиболее близких к аноду будут когерентными и интенсивность излучения в направлении, параллельном основному катоду будет высока.
На фиг. 1 отражена принципиальная схема конструкции СЭО. Внутри цилиндрической оболочки (1) в вакууме находится на определенном расстоянии от продолговатой части основного катода (4) анод (2). Другая часть основного катода погружена в хладагент, находящийся в резервуаре (3). Когда в основном катоде наводится электрический ток в промежутке между катодом и анодом возникает магнитное поле. Когда источите питания (не показан на фигуре) присоединяется положительным полюсом к аноду (2), а отрицательным к основному катоду (4), то в промежутке между ними возникает электрическое поле, достаточное для эмиссии из участка катода (5), покрытого материалом, снижающим работу выхода из основного катода по сравнению с остальной его частью. Эмитированные электроны движутся по траектории (6) и излучают индуцирующие электромагнитные волны (7), которые вызывают эмиссии электронов из других участков основного катода (8). Эти электроны также излучают электромагнитные волны, параллельно основному катоду.
В случае когда скорость дрейфа электронов, эмитированных из основного катода будет релятивистской, можно утверждать, что излучение таких электронов будет ондуляторным. По определению, ондуляторное излучение - излучение прямолинейно и равномерно движущихся осцилляторов. Скорость дрейфа электронов, эмитированных из основного катода определяется по формуле v=Е/В, где Е - напряженность электрического поля, а В - индукция магнитного поля.
Пользуясь зонной теорией твердого тела можно смоделировать процессы, происходящие в катоде. При низких температурах максимальная энергия электронов в сверхпроводнике близка к энергии Ферми. В то же время в сверхпроводниках по обе стороны от уровня Ферми возникает энергетическая щель, на дне которой находятся электроны, объединившиеся в куперовские пары. Энергии и импульсы всех куперовских пар равны. Увеличение концентрации электронов, возникшее при соединении замкнутого катода к отрицательному полюсу источника питания, смещает уровень Ферми и энергетическую щель в область более высоких энергий. Одновременно уменьшается работа выхода, равная разности между энергией электрона в вакууме и уровнем Ферми. Внешний энергетический барьер на границе сверхпроводник-вакуум будет сужен и уменьшен возникшим электрическим полем (эффект Шоттки) между катодом с отрицательным потенциалом и анодом с положительным потенциалом. При этом во время прохождения индуцирующего излучения, энергетический барьер будет уменьшен настолько, что спаренные электроны на дне энергетической щели могут пройти над барьером либо туннелировать сквозь вершину энергетического барьера.
2
2
1/2
10
2
0
0
Как известно, ондуляторное игорное излучение возникает при равномерном и прямолинейном движении с релятивистскими скоростями заряженных осцилляторов. В случае эмиссии из основного катода в скрещенных полях скорость дрейфа электрона должна быть близка к скорости света: Е/В≈с. Это условие в описанной системе может быть выполнено при достаточно высокой напряженности электрического поля Е (для того, чтобы эмитированный электрон смог покинуть основной катод в порядке над барьерной или туннельной эмиссии), но еще и при достаточно высокой магнитной индукции В (чтобы эмитированный электрон не сразу достиг анода, а совершил поворот в сторону основного катода и излучил электромагнитную волну, параллельную основному катоду). При таких скоростях электронов ларморовский радиус рассчитывается по формуле: r=mv/eB(1-v/с), где m - масса электрона, е - заряд электрона, В - магнитная индукция в пространстве между катодом и анодом. В то же время должно выполняться условие 2r<d, где d - расстояние от анода до основного катода. В противном случае эмитированные электроны достигнут анода сразу же, не совершив поворот к основному катоду и не излучив электромагнитную волну, параллельную основному катоду. Максимальная (критическая плотность тока) в сверхпроводнике может достигать значения J=10 А/м. Магнитная индукция на расстоянии r от основного катода вычисляется по формуле: В=μI/2πr, где I=JS, а μ - магнитная постоянная.
0
0
0
1/2
9
2
2
1/2
-3
4
2
8
2
Допустим, сверхпроводниковый катод покрыт оксидом бария, что снизило работу выхода из него до величины 1,2 эВ. Напряженность электрического поля, при которой происходит снижение потенциального барьера на величину Δф=1,2 В, определяется из соотношения Δф=(еЕ/4πε), где ε - электрическая проницаемость вакуума, е - заряд электрона. Отсюда находим, что Е=10 В/м. Допустим, требуемая (для генерации электромагнитного излучения определенной длины волны) скорость дрейфа эмитированных электронов v=0,9 с. Тогда необходимая магнитная индукция В=Е/0,9с=3,7 Тл. Отсюда ларморовский радиус электрона: r=mv/eB(1-v/c)=0,93*10 м, а сила тока в основном катоде: I=2πrВ/μ=1,7*10А. Если сечение основного катода S составляет 1 см, то плотность тока в соновном катоде должна быть J=I/S=10 А/м (значение в пределах допустимого для сверхпроводниковых материалов). Использования сверхпроводников в качестве катода вместо обычного проводника позволяет решить следующие важные системные задачи. Разброс энергий эмитированных из сверхпроводника электронов гораздо меньше, чем при эмиссии (термоэмиссии или автоэмиссии) из обычного проводника. Так, если использовать над барьерную эмиссию со дна энергетической щели сверхпроводника, то энергии всех эмитированных электронов будут равны вследствие бозе-конденсации куперовских пар. А это означает полную монохроматичность ондуляторного излучения этих электронов в процессе дрейфа вдоль основного катода. Кроме того, высокая плотность тока куперовских пар в таком основном катоде создает высокую магнитную индукцию, которая необходима для того, чтобы эмитированные электроны не достигли анода до тех пор, пока не излучили электромагнитную волну, параллельную основному катоду. Создать магнитную индукцию 3,7 Тл без использования тока в сверхпроводнике крайне затруднительно. Кроме того сверхпроводниковый катод автоматически решает следующие задачи ЛСЭ:
- эмитирует электроны, которые не надо разгонять до релятивистских скоростей, в громоздких и дорогих синхротронах и накопителях, так как эмитированные электроны уже обладают соответствующей скоростью дрейфа;
- эмитированный вдоль основного катода электронный пучек сразу же обладает высоким эмиттаясом, весьма малым сечением, так как энергии всех электронов практически равны;
6
- нет необходимости создавать переменное магнитное поле, используя большое число разнонаправленных магнитов (их количества в ондуляторах и вигглерах иногда равны сотням) для максимального количества колебаний (осцилляций) электронного пучка, так как в предложенной модели количество эмитированных электронов излучающих по кванту электромагнитной энергии будет фактически равно длине основного катода, деленной на длину волны индуцирующего излучения (например, при длине основного катода всего лишь 1 метр (современные ондуляторы имеют длины в десятки метров) и длине волны индуцирующего излучения 300 нанометров, количество квантов, излученных эмитированными электронами вдоль основного катода, будет равно примерно 3,3*10, Необходимо иметь в виду, что данное количество квантов индуцированного излучения соответствует одному кванту индуцирующего излучения. Если же с острия дополнительного катода эмитируется одновременно N электронов, то количество индуцированных квантов на выходе из системы также возрастет в N раз, соответственно.
К описанию прилагается одна фигура, отражающая существенные признаки полезной модели. На фиг. 1 (схема) показана принципиальная схема конструкции сверхпроводникового эмиссионного ондулятора.
Полезная модель может быть материализована путем выбора сверхпроводников, для материалов основного и дополнительного катодов, и материалов для их покрытий с целью уменьшения работы выхода с определенными параметрами. Существует большое количество материалов (только металлов 27 (олово, свинец, титан, …), ряд сплавов, керамик, и даже сероводород), которые переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и обладают различными иными свойствами. Кроме того, существует достаточный выбор материалов, снижающих работу выхода, наиболее известный из которых - оксид бария. Подбирается хладагент, необходимый для охлаждения данного вида сверхпроводника и специальная емкость для сохранения низкой температуры хладагента.
1 Цилиндрическая оболочка из диэлектрического материала, удерживающего вакуум внутри (например, стекло). Внутри оболочки в вакууме, находится анод, одной из сторон цилиндрической оболочки является основной катод.
2 Анод в форме провода может быть выполнен из металла (например, алюминий). Анод находится внутри цилиндрической оболочки, на небольшом расстоянии основного катода, ось анода параллельна оси оболочки.
Присоединяется к положительному полюсу источника питания.
3 Резервуар с хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), одной из поверхностей которого является поверхность цилиндрической вакуумной емкости в области нахождения участка основного катода. Может быть выполнен из стекла с двойными стенками, между которыми вакуум, стенки могут быть посеребренные для отражения внешнего теплового излучения. Внутри резервуар находятся, погруженная в хладагент часть основного катода.
4 Основной катод, в форме провода выполнен из сверхпроводящего материала (например, YBCO) часть основного катода является одной из стенок цилиндрической оболочки, другая часть погружена в хладагент за пределами цилиндрической оболочки. Ось части основного катода, являющейся стенкой цилиндрической оболочки, параллельна оси анода. Замкнут сам на себя, одна из его частей за пределами цилиндрической оболочки присоединяется к отрицательному полюсу источника питания.
5 Небольшой участок основного катода покрыт материалом, уменьшающим работу выхода из сверхпроводника по сравнению с остальной поверхностью катода.
6 Источник электропитания (например, конденсатор, на фигуре не указан) подключается к аноду положительным электродом к аноду, а отрицательным к катодам
Резервуар (3) заполняется хладагентом. При этом основной катод (4) охлаждается ниже критической температуры сверхпроводимости. В основном катоде (4) наводится (например, внешним переменным магнитным полем) электрический ток и в промежутке между основным катодом и анодом (2) возникает магнитное поле. Источник питания подключается положительным полюсом к аноду (2) и отрицательным полюсом к основному катоду (4). Электрическое поле, возникшее между дополнительным участком катода, покрытым, материалом, уменьшающим работу выхода по сравнению с остальной поверхностью катода (5) и анодом (1) вызывает над барьерную эмиссию. Эмитированные электроны излучают электромагнитные волны (7), распространяющиеся параллельно основному катоду (4) и создают максимумы напряженности электрического поля вблизи основного катода в местах, где электрическое поле электромагнитной волны максимально и направлено в ту же сторону, что и электрическое поле, создаваемое анодом (2) и основным катодом (4). В областях основного катода (4), расположенных напротив возникающих максимумов напряженности электрического поля возникают эмиссии электронов (8). Эмитированные из основного катода электроны также излучают электромагнитные волны, распространяющиеся параллельно основному катоду.
Таким образом, полезная модель «Сверхпроводниковый эмиссионный ондулятор» позволяет создавать мощное когерентное, монохроматическое электромагнитное излучение, обладающее свойствами ондуляторного излучения, но без использования громоздких и дорогих систем для ускорения, накопления, фокусировки электронных пучков, а также без использования громоздких систем для создания переменного магнитного поля.