Способ измерения плотности электронов в пучке

Способ измерения плотности электронов в пучке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

Союз Советскмд

Социалистических

Республик (iq987864 (61) Дополнительное к авт. свид-еу (22) Заявлено 17.07.81 (2t) 3323491/18-21 с прмсоедмнемием заявки М (51) М.Кл з

Н 05 Н 7/00

Государственный комитет

СССР по делан изобретений н открытий (23) ПриормтетОпублмноваио 070183, Бюллетень Ио 1 (%3) УДК 621.-384. 6 (088.8) Дата опубликования описания 17.01.83 (72) Авторы изобретения

В.А.Журавлев, В.Е.Музалевский, В.

/

i у (71) Заявитель (5 4) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПУЧКЕ

Изобретение относится к технической физике и может. быть использовано при исследовании сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП), а в некоторых случаях движут .йся с релятивистской скоростью плазмы, в частности при работе с высокотемпературной плазмой легких элементов и т.д.

Известен метод определения параметров плазьы при по..ющи интерферометрии, основанный на измерении вели чин фазового сдвига в зондирующем излучении, позволяющий вести измерения на неоднородных объектах (1 ).

Однако неоднородные объекты не обеспечивают возможнос и проводить локализацию области измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения плотности электронов в пучке, заключающийся в последовательном зондировании с сохранением геометрии рассеяния исследуемого объекта и нейтрального газа электромагнитным излучением одинаковой для обо их этапов зондирования частоты и определении отношений интенсивностей

Ф рассеянных излучений и отношения интенсивностей зондирующих излучений .при зондировании пучка и нейтрального газа, при этом концентрация и се чение рассеяния газа предполагается известным. Этот способ позволяет ло" кализовать исследуемую область и . обеспечивает достаточную точность из,мерений (2 l.

Недостатком известного способа является то, что он не применим для измерения в релятивистских электронных пучках, так как в релятивистском случае характеристики рассеянного излучения претерпевают существенные . изменения. Во-первых, происходит сдвиг частоты рассеянного излучения.

B связи с этим для осуществления калибровки измерительного тракта час тота зондирования газа, совпадающая частотой зондирования объекта, больше не пригодна для этой цели. Во-вторых, интегральная по--спектру интенсивность рассеянного излучения не пропорциональна концентрации электронов объекта, а зависит также от других его параметров, например от тем-, пературы. Это делает неприемлемым для определения плотности электронов пе

98786 4

2 2 ш2с4

f (×)=Àåíð

2Т с -Ч2 тс2 — ÷"-- екр—

2бч, 60

$5 в РЭП известный способ и расчетную формулу з(") 3(2) 6 а е .n = ——

Е (1) (2) Р g т

5 где 3е 3(д, — интенсивности зондирования излучения на исследуемом пучке и калибровочном газе соответственно, бт, 6„ - полные эффективные сечения соответственно томсоновского рассеяния на электроне и релеевского - на нейтральном газе, à п Оплотность газа.

Для определения плотности электтронов в РЭП необходимо ввести новые, отсутствукщие в известном способе операции и изменить расчетную фор- 20 мулу так, чтобы она учитывала релятивистские эффекты.

Цель изобретения - расширение области применения способа а счет воэможности исследования релятивист- 25 ских пучков электронов.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения плотности электронов пучка, заключакщемся в последовательном зондировании исследуе- 30

)мого пучка и нейтрального газа с известным сечением рассеяния и концентрацией потоком монохроматического электромагнитного излучения с сохранением геометрии рассеяния и определении отношений интенсивностей зондирующего и рассеянного излучений в зондируемых объектах, измеряют среднюю энергию электронов пучка, их температуру, среднее значение узла разлета электронов к оси исследуемого пучка, дисперсию поперечной скорости электронов пучка, а также частотный интервал спектра рассеяния на исследуемом пучке, в котором интенсивность излучения составляет не менее 10% максимальной интенсивности, зондирование газа осуществляют на частоте, лежащейвнутри этого частотного интервала, а определение отношений интенсивностей излучений осуществляют в частотном интервале, включающем частоту зондирования газа и принадлежащем ранее .измеренному интервалу частот.

Считая, что плотность электронов в сильноточном РЭП имеет следующий вид функции распределения электронов по скоростям: (о ((о(2) <,) < ц>(2)

) 1" в1п ) трах) Измеряют угол рассеяния 6 и углы

Между осью РЭП и направлением зондирования и регистрации рассеянного излучения 6"„, 6"

Измеряют в относительных единицах интенсивность рассеянного на РЭп излучения 3(е в диапазоне частот д м, включающем мЗ . Величины 3(е и 3(е2) связаны между собой следуищими соотношениями:

1Ь

2i

)((2) (2)„>(<) dYY + 2 (1-V )wF (Ч),,)„ е е "еЖ "о (1-Чоо в ) оа - Чсоэ e„ х ц) d Vdw (2)

1-ЧсоэВ ) (о -до /2 ю +д(о /2 где . a=

I О= (1),,о(1) (2)

3 чувствительность приемника рассеянного излучения на частоте и>>, объем; телесный угол рассеяния; площадь поперечного сечения зондирующего луча; классический радиус электрона; модуль безразмерной скорости электронов;

Г г

e„=)(„V, В =К2Ч; дМ дЯ д,S

Ч=(Ч 2lc где A - нормировочная постоянная, П\ масса электрона;

V с - скорость электрона и света (в дальнейшем полагаем с=.1 так, что скорость электрона измеряется в единицах скорости света);

Яо,т — средняя энергия и температура электронов РЭП;

Ч„ b — поперечная к оси пучка

1 скорость электронов и ее дисперсия) средний угол разлета электронов к оси пучка", сущность предлагаемого способа можно охарактеризовать следующим образом.

В локализуемой области измеряют по известной методике температуру Т, среднюю энергию электронов пучка 8о, средний угол разлета о и дисперсию поперечных скоростей 6у, а также зна„)1 чения интенсивности 3(") и частоты ш(") излучения, зондирующего РЭП. (2)

Измеряют частотный интервал (ш

min

w «), в котором интенсивность рассеянного на PBP. излучения составляет не менее 103 от максимальной, и выбирают в этом интервале частоту

987864 . l-Ч - 2 (-ЧсозВ

11 с r hlu ° . F . Е(Ч)Ч d w — jdV о 3 1-Чсоз 82 I 1-Чсез8 — =5) . Пусть в качестве калибровочно3= рЯ, го газа применяют аргон под давлением 0,1 атм (пй =6 ° 10 "5см >), угол з выбирают равным 90,: а соотношение интенсивностей зондирующих излучений

; (4l - - равным 0,1. Сечение рассеяния

g (1l е

На фиг.1 показано спектральное распределение плотности рассеянного на пучке излучения; на фиг.2 устройство для реализации способа.

Например, при исследовании РЭП, функция распределения которого име35 ет вид ч„

f (9) =0,0 s4 е Ф (щ - ОД

l с 6 м М з(пу

/ аргона для излучения

aQ c4, (средняя безразмерная скорость элек(Vl 45 тронов Ч = =090-7 Угол р»ср с лета Vg =0,2 ч„=0. Если пРи

1 зондировании пучка используют углы между волновыми векторами К„ и К2 и осью пучка, а также угол рассеяния, 50 равные соответственно 90;. 60 и 30 то спектральное распределение плвтнос- Э ти рассеянного на пучке излучений— дЯ будет иметь вид, показанный на фиг.1

1- Чс з8 ! ЬЯ "соз 2 — F ß (Ч) Ч д ы}-q-qPÆe о

Предположим, что при этом исполь- 60 зуют излучение лазера ОГМ-40 для зондирования пучка на основной (li, =1,06 мкм), а для зондирования калибро вочного газа на второй (Ъ =0,503 мкм (1 l гармонике (следовательно, ю . =2 с длиной волны Л =0,503 мкм при у=

=90 равно 0,132 10 2е см . Тогда, при соотношении интенсивностей рассе-! 3() янных излучений — равном, например, Pj

3 (21

")

aw

1,5 в частотном диапазоне „-0,05 > можно по формуле (4 ) рассчитать величины искомого параметра:

0 132 -10 см 6 -10 .см 3 пе 0,1 15 7 8 1pû смe р,р5.2° . 5 3-101 см >.

На фиг.2 приведено устройство, с помощью которого может бить реализован данный способ. Устройство содержит источник 1 монахроматического зондирующего излучения (лазер ) с воз(2)

К1 и K2 - волновые векторы соот- тельных единицах, что и 7 е., инветственно зондирующего тенсивность рассеянного излучения Э е., (2) и рассеянного излучения; Величины 3(" 1 и 7 (4! связаны со3 е- г -(<) de . 2-б-1 -а1

+2сОз 9 г юм Д K 3 3 Sin gn аЯ, (ъ) (2) (2) (l j ® ° 2 ЬУ

) (к) с4 В 5 (тильдой "" отмечены величины, относящиеся к системе покоя электрона); где угол g-между электрическим вект " т т и 3 - параметры Стокса тором зондирующего излучения и век10 падающего и регистрируемого излучения. тором Й0, При этом неопределенными в выражении (2) оказываются только параметры

43 ° Я, 2 Sin гдЯ= аЧ, ass, аЯ иК с4 для исключения их из расчетной формулы проводят второй этап зонди- 15 Еули диапазон 8ю выбрать досаиия Цля этого устанавливают в таточно узким, чтобы можно было в источнике зондирующего излучения зна- его пределах считать незави июми. си от частоты ь . выбранной на пер- частоты интенсивность рассеянного (1) т пе и заменяют РЭП газом с иэ- излучения 1 и чувствительность е (> вестными поляризуемостью за и плот- 20 фотоприемника К, то интегрирование

H0cTblo паа по w в выражении (2) можно заменить

При сохранении геометрии рассея- умножением на йм . Из преобразованния (e, aS,ьЧ,.дЯ) зондируют газ излу- ного таким образом выражения (2) и чением с частотой (д. и интенсивнос- выражения (3 ) получим расчетную фортью Э(в)и измеряют в тех же, относи- 25 мулу для определения параметра: ® 3n) .,„(1),0 „ „„„2.

3R Зе. L0 w X Ag (4)

"Е (1) 3О)

3, 987864 можностью перестройки частоты или сменный, вакуумную камеру 2 с окнами

3, прозрачными для зондирования и рассеянных излучений, генератор 4

РЭП, баллон 5 с нейтральным калибровочным газом, измеритель 6 интенсивности зондирующего излучения, установка 7 для определения параметров f (V), многоканальный запоминающий осциллограф 8.

Устройство работает следующим об 10 разом.

С помощью лазера 1 производит зондирование РЭП, при этом синхроимпульс от лазера 1, соответствующий началу зондирования, одновременно подают на, f5 запуск установки 7 и временной развертки осциллографа 8. Регистрируют на осциллографе 8 сигнал от измерителя 6, соответствующий значению 3 ) и сигналы с установки 7, соответствующие значениям параметров, необходимых

| я расчета Е (Ч), а также значению (для j-го канала установки 7), соответствующего частоте w выбранной в пределах w„„„- >,„„„для 25 (2 ) (2) зондирования газа. При выборе учитывают возможности источника зондирования, параметры калибровочного газа, характеристики оптических элементов и т.д. Диапазон рассе- 3О яния м,. -w „ определяют предва(2) (2) рительно. Найолняют камеру 2 газом до фиксированного давления, соответствующее го выбран ному значению и <, меняют или перестраивают на выбранную частоту w>. лазера 1, учитывая при этом, что направленИе и сечение зондируюшего луча должны совпадать с таковыми на первом этапе зондирования, расположение всех остальных эле- 4О ментов устройства остается неизменным. Производят зондирование газа и регистрируют сигналы, соответствующие. .")(". и 3(,) таким же образом как и

1 на первоМ этапе зондирования. По определенным значениям параметров рассчитывают искомую величину пе .

Способ обеспечивает воэможность определения локальных значений плотности электронов в РЭП одновременно с определением параметров распределе- 5О ния электронов в пучке по направлениям и модулям скоростей.

Сохранение основных достоинСтв с прототипа — максимально возможного временного и пространственного разрешения и возможности относительных измерений рассеянного излучения - обеспечивает приемную точность измерений искомого параметра, Предлагаемый способ позволит более полно исследовать сильноточные релятивистские электронные пучки.

Формула изобретения

Способ измерения плотности электронов в пучке, заключающийся в последовательном зондировании исследуемого пучка и нейтрального газа с известным сечением рассеяния и концентрацией потоком монохроматического электромагнитного излучения с сохранением геометрии рассеяния и определении отношений интенсивностей зондирующего и рассеянного излучений в зондируемых объектах, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения способа эа счет воэможности исследования релятивистских электронных пучков, измеряют среднюю энергию электронов, пучка, их температуру, среднее значение угла разлета электронов к оси исследуемого пучка, дисперсию поперечной скорости электронов пучка, а, также частотный интервал спектра рассеяния на исследуемом электронном пучке, в котором интенсивность рассеянного излучения составляет не менее 103 максимальной интенсивности, зондирование газа осуществляют на частоте, лежащей внутри этого частотного интервала, а определение отношений интенсивностей излучений осуществляют в частотном интервале, включающем частоту

)зондирования газа и принадлежащем ранее измеренному интервалу частот.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Методы исследования плазмы..

Под ред. В.JIoxTe-Хольгревена, М.; ирм 1971, с. 372.

2. Там же, с. 399.

987 8б4

Составитель Е. Громов

Редактор С.Пекарь Техред О,НецеКорректор С.йекмар

Филиал ППП "Патент", г.у кгород, ул.Проектная,,4

Заказ 10332/49 Тирав 843 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Йосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5