Способ измерения параметров электронного пучка или плазмы

Способ измерения параметров электронного пучка или плазмы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ИЛИ ПЛАЗМЫ по поляризационным характеристикам неколлективно рассеянного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскополяризованным электромагнитным излучением с последующей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, о тличаюадийся тем, что, с целью определения параметров распределения электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском пучке или движущейся с релятивистской скоростью плазме, выбирают в спектре рассеяния частотные интервалы , число которых не меньше числа определяемых параметров, в каждом из выбранных интервалов измеряют угол между направлением максимальной с S поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический (Л вектор падаквдей и волновой вектор рассеянной волн.

(19) (Н) СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5Н а 01 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

9 1

М

«

В «

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 2863024/18-25 (22) 03.01.80 (46) 07.08.83 Бюл. 9 29

;(72) В.A.Æóðàâëåâ, В.Е.Музалевский, В.М.Сысак и Г,Д.Петров (53) 533.9(088.8) (56) 1. Л.Н.Пятницкий. Лазерная диагностика плазмы. Атомиздат, М., 1976, с ° 68.

2. О.Theimer, N.Hicks . Depolarization of Zight Scatered by à Relotivistic Plasma The Physics of Fluids v.11, р. 1046, Р 5, 1968 (прототип).

1 (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ИЛИ ПЛАЗМЫ по поляриэационным характеристикам неколлективно рассеянного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскоголя- ризованным электромагнитным излучением с последующей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью определения параметров распределения электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском пучке или движущейся с ре-. лятивистской скоростью плазме „выбира" ют в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров, в каж" дом из выбранных интервалов измеряют угол между направлением максимальной поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический вектор падающей и волновой векторрассеянной волн.

С.

895200

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при исследовании плазмы, в ядерной физике, в частности при решении проблемы ущ авляемого термоядерного синтеза, при разработке кол- 5 ,лективных методов ускорения ионов, генерации волн СВЧ и т.д.

Известен метод определения параметров плазмы или электронного пуч" ка путем исследования спектрального состава рассеянного электромагнитного излучения от зондирующего источника (метод томсоновского рассеяния), позволяющий получить количественные результаты (1). 15

В методе используется прядя зависимость доплеровского уширения спектра рассеяния от температуры исследуемого объекта. Однако метод применим только для ниэкотемпературной плазмы и нерелятивистских пучков или для максвелловской изотропной (в том числе релятивистской) плазмы, так как в противном случае величина уширения не может быть определена однозначно. Способ не применим для определения параметров плазмы, движущейся с релятивистской скоростью и релятивистских электронных пучков.

Известен способ измерения парамет" ров электронного пучка или плазмы по ЗО поляриэационным характеристиками неколлективно рассеяного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскополяризованным электромагнитным из- 35 лучением с последующей математической обработкой известных эависимос" тей относительно измеряемых параметров, (2) .

Недостатком известного способа яв-4р ляется то, что он применим только для изотопной плазмы.

Другим недостатком является oro информативная ограниченность: за исключением одного параметра - темпе-45 ратуры, данным способом невозможно определение в объекте никаких других параметров.

Целью изобретения является определение параметров распределения .Электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском электронном пучке (РЭП) или s движущейся с релятивистской скоростью плазме.

Поставленная цель достигается тем, 5 что в способе измерения параметров электронного пучка или плазмы по поляризационным .характеристикам неколлективно рассеянного излучения, вклю" чающем зондирование объекта исследо- .60 вания монохроматическим плоскополяриэованным электромагнитным излучением с последузхцей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, выби-у рают в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров в каждом из выбранных интервалов измеряют

УГОЛ МЕЖДУ НаПРаВЛЕНИЕМ McLKCHMcLJIbHOA поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический вектор падакщей и волновой вектор рассеяной волны.;;

Суть способа заключается в следукщем. Зондируют изучаемый объект мою ! (> гас нохроматическим ц (" = плоскопоь„

1 ляриэованным излучением определяют направление электрического вектора Е1 зондирующего излучения e41g выбирают угол для регистрации рассеянного излучения 8; получают раз- * вертку спектра рассеянного излучения (ц „- ц „ ) вьщеляют спектральные (2 (2) интервалй цш. в диапазоне(в 2) -мР) )

3 min mar в каждом выделенном ийтервале измеряют угол р между направлением максимальной поляризации и плоскостью f y полученные значения а подставляют в систему уравнений

1

)Ь -—

)-г и решают относительно искомых параметров.

7 ; i - 1, 2, 3, 4 — расчетные зна3 чесания интенсивностей рассеянного под углом 8 излучения в о спектральном интервале d си, определяемые из (2)

1 (2 ) р17 {> Ч) gw g (Ч)f « о (2) " (w - йы )

l1 j2

2 ( где Э, (и,Ч) - интенсивность зондирующего излучения, объем рассеяния, (2) . концентрация электронов ° w = безМ

4)

1 размерная частота рассеянного излу4В чения, б (Ч ) — зависящее от скорости сечение рассеяния на одиночном электроне, Е{Х1,Х2,,» Х,;9) -. функция распределения электронов по скоростям, Х1, Х2, -- Хт, - .Подлежащие .Определенйю йараметры функции распределения, аргумент С" — учитывает изменение частоты в каждом акте рассеяния, интегрирование ведется по всему пространству скоростей,Ч,Ч= V) — скорость и модуль скорости электронов, причем л л

8„"-К„; V; 8 =К; Ч

2 2

895200

Сечение рассеяния 6 (Ч) (1-V )(1- Vcos 8„) (4-cos9 ) i=7,2,3,4

I где го - классический радиус электрона. (О (м c *(

ЮМ соз2у Мп2 у Sin 2с(,„

»

-Sin2y cos 2у cos 2g„

20 (Ь) 25

4 „=соз2 у (7) f =-Sin2j

= Sin2g

" 3

f s =со92у

«4 е-соз2g

«2

f „=-соз2). «2 (= sin2y "4 „=-Sin2y ф 30 где угол г определяется выражением е у yî

f(Ф,Т;У )"-акр - — -,р

" й-Ч ) -v" о

«с((Ч - Vsin.ф), 55 где у перпендикулярная к оси РЭП 60 составляющая скорости; п)в- масс.а электрона.

Определению подлежат параметры

Фг Т, Уо. Для этого подставляют Функцию распределения в (2), находят.яв

Ф

Ч sin 8-cos 8 -сов 9 +2соъе cos8 созе

1 1 35 (сов 8- V(cos 8 icos e )

1 2

В задачах диагностики РЭП вид функ- ., ции распределения зависит от условий получения и транспортирования пучка.

В каждом конкретном случае задают 40 вид Функции распределения и вид функции распределения и выбирают в ней в-подлежащих определению параметров, связанных с разбросом электронов по модулям, или по модулям и направле- 45 ниям скоростей.

Например, для РЗП, в котором все электроны имеют одинаковый угол разлета Ф к оси пучка, гауссовское (с температурой Т) распределение по 5() модулю скорости и среднее значение скорости У, функция распределения будет иметь вид ную зависимость интенсивностей 3 . .от параметров ф, T.i V подставляют Э . ( в (1) и получают систему уравнений

Д.= ".") (ф,т,ч ) где слева стоят измеренные значения

Углов p i а справа - найденные иэ (1 — 7). Аналогично поступают и для определения параметров плазмы, движущейся с релятивистской скоростью, На фиг. 1 — 3 иэображенЫ векторные диаграммы используемых при измерениях полей излучения на фиг. 4 изображено устройство, с помощью ко.торого реализуется данный способ.

Устройство содержит лазер 1 для генерации монохроматического эондирукщего излучения под углом 9 к оси

1 пучка; поляроид 2 для поляризации зондирующего излучения под углом о( относительно нормали к плоскости

1 рассеяния (плоскости fl ) (см. фиг.1) t вакуумную камеру 3 с окнами 4, прозрачными для зондирующего и рассеянного излучений; генератор РЭП 5 объектив 6, оптическая ось которого составляет угол 9 с направлением зондирования (для выделения пучка рассеянного под углом 8 излучения)i полупрозрачную пластинку 7 для отражения части рассеянного излучения в опорный фотоприемник 8; отградуированный электрооптический элемент 9,для поворота плоскости поляризации рассеянного излучения; генератор 10 пилообрав» ного напряжения для управления элект- рооптическим элементом 9 поляроид

11; спектрограф 12 для разделения в пространстве излучения с различными длинами волн диафрагмы 13 для вЦде ления в спектре рассеянного излучения частотные интервалы 1ш.у световоды 14 для передачи рас3 сеянного излучения в . выделенных частотных интервалах ды на соот1 ветствующие фотоприемники 1 5;. мно. гоканальный запоминающий осциллограф

16 для записи сигналов с фотоприемников 8 и 15.

Устройство работает следующим образом.

Выставляют ось поляризации поляроида 2 под углом о(,, к нормали плоскости рассеяния; выставляют ось поляризации поляроида 11 под углом с(2»

=archy(cos8tg6,) к нормали плоскости рассеяния (см. фиг. 1) с помощью лазера 1 производят зондирование электронного пучка импульсом монохромптического излучения с частотой и/1 синхроимпульс от лазера 1, соответствующий началу зондирования, подают на запуск генератора 10 пилообразного напряжения и на запуск временной развертки осциллографа 16) из рассеянного под углом 8 излучения при JIoMolILH объектива 6 выделяют

895200 ф пучок, часть излучения пучка, отраженную полупрозрачной пластиной 7, подают в опорный приемник 8, сигнал с которого (соответствующий интенсивности рассеянного н опорный приемник

8 излучения) регистрируют с помощью осциллографа 16) другая часть выделенного объективом 6 излучения проходит полупрозрачную пластинку 7 и попадает на электрооптический элемент 9, который поворачивает .плоскость поляризации рассеянного излучения на угол, пропорциональный приложенному к нему напряжению, что приводит к модуляции интенсивности проходящего через поляроид )1 излуче- 15 ния; затем при помощи спектрографа

12 и диафрагм 13 выделяют составляющие этого излучения в частотных интервалах; вьщеленные составляющие по световодам 14 поступают на соотнетствукщие фотоприемники 15> сигналы с фотоприемников 15, пропорциональные изменению интенсивности излучений в каждом частотном интервале, записывают на экране осциллографа 16; 2д строят график изменения но времени отношения интенсивности излучения в каждом частотном интервале dw к интенсивности опорного сигнала по графику определяют момент времени от начала развертки, в который это .отношение максимально; определяют .величину напряжения U на элект3 рооптическом элементе 9 в момент 1 () 3

t 35

) Т max

И где T„время нарастания напряжения на генераторе 10 от 0 до0„, „(T„ должно быть мень| |е времени имйульса зондирования) ° Максимальное напряжение U должно обеспечивать понорот

ITIOUS( плоскости поляризации излучения не менее, чем на 90 о)i определяют угол поворота плоскости поляризации рассеянного излучения в частотном интервале dw)g н момент времени где д - искомый угол поворота, K„коэффициент пропорциональности между углом понорота и приложенным к электрооптическому элементу 9 напряжением от генератора 10 (берут из градуировочного графика на электрооптический элемент}; подставляют полученные значения р в систему уран4 нвний (1), которую решают с учетом (2 — 7) относительно искомых параметров .

Способ обеспечивает воэможность одновременного измерения всех определяемых параметрон н широком диапазоне исключает необходимость спектральной калибровки фотоприемников и связанные с этим погрешности; обеспечивает спектральный метод томсононского рассеяния (дальнейшим разнитием которого является) максимально нозможное временное и пространственное разрешение.

Составитель И.Первенцев

Редактор П.Горъкова Техред Ж, Кастелевич Корректор М.Двмчик

Р

Закаэ 8140/4 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4