Способ измерения волнового пакета свободного электрона Советский патент 1988 года по МПК G01T1/34 

г

Фиг.

Изобретение относится к области измерений параметров элементарных частиц и может быть использовано в технике физического эксперимента и ускорительной технике.

Известен способ измерения размеров волнового пакета электрона с помощью интерференционного экспериментаi Однако этот способ обладает тем недос- ю татком, что интерпретация результатов измерений является сложной, требует дополнительных гипотез, что приводит к недостоверности рычисленных по данным измерений размеров волно- js вого пакета.

Прототипом изобретения .является способ измерения размеров волнового пакета путём наблюдения интерференционной картины при рассеянии двух 20 сфазированных лазерных пучков на пучке идентичных электронов. Как показал приведенный анализ, дифференци-. альное сечение содержит интерференционный член, измерение которого да- 25 ет информацию о ширине волнового паКета электрона.

Этот способ обладает тем недостатком, что на его основе нельзя измерить продольный размер волнового па- зо кета электрона. Кроме того, данный способ является косвенным., информация

0раэмер о(. волнового пакета извлекается .путем сложной обработки результатов измерений.. ,с

IV Целью изобретения является непосредственное измерение продольного размера волнового пакета элек.трона.

Указанная цель достигается тем, что в способе индикации волнового Q пакета свободного электрона с домощью пучка идентичных электронов измеряют промежуток времени между моментом выбивания электроном из помещенной на его пути мишени о -электронов и мо-. 45 ментом его последующей регистрации после выхода из мишени. Затем эту

1операцию повторяют .многократно с другими электронами до получения статистической достоверности числа значений CQ Каждого измеренного промежутка времени, а длину волнового пакета определяют по полученной из этих измерений функции р.аспределения промежутков времени,55

На фиг, I представлена схема возможной реализации предлагаемого спог co6aj на фиг, 2 а,б - зависимость волновой функции электрона от продольной координаты (а) и времени (б) на фиг, 2в - зависимость числа счето от времени задержки.

Предлагаемый способ проиллюстрирован примером конкретного выполнения.

Из источника -1 направляют пучок электронов 2 на газовую мишень 3,. Эннктроны пучка выбивают из мишени о-электроны 4, которые с помощью ускоряющего поте.нциала Направляют на сцинтилляционный детектор 5 с фотоумножителем 6, Пучок электронов 2, продолжая свОе движение, после мишени попадает на сцинтилляционный детектор 7 с фотоумножителем 8, Импульсы с выходов фотоумножителей 6 и 8 через линии заДержки 9 и 10 поступают на схему совпадений 11,/

Рассмотрим процесс измерения продольного . размера волнового пакета с помощью этой схемы. Например, за висимость волновой функции электрона от продольной координаты Z имеет вид представленный на фиг, 2а, Длина волнового пакета равна расстоянию-&2, в пределах которого (QjCZ)) заметно отлична от нуля.

На фиг. 26 показана соответствующая зависИмость волновой функции от времени в области расположения газовой мишени 3 (слева), которую центр волнового пакета электрона достигает в момент времени t, и в области детектора 7 (справа), которую центр волнового пакета достигает в момент t. Выбивание 5 -электрона и последующая его регистрация могут произойти в любой момент в.ремени, в который волновая функция отлична от нуля. Наиболее вероятно выбивание 8 электрона и его последующая регистрация в области вблизи максимума волновой функции, т,е, вблизи моментов времени соответственно t, и t. Из изложенного ясно, что регистрация совпадений схемой совпадений 11 возможна в области вблизи разности времени задержки t, равной ,, .и наиболее вероятна в непосредственной близости от этого зшщения задержки (фиг, 2в), Например, с вероятностью ,не меньшей 50% ее максимального значения, отсчет совпадений будет происходить .при значениях t,,лежащих в пределах отрезка времени At, соответствующего длине волнового пакета на уровне 0,5, равного Z2.-Z( (фиг, 2а, вид сверху). Поэтому, если пропускать в схеме фиг,1 один за другим электро ны и набрать количество отсчетов при каждом значении разйости времени задержки t, обеспечивакицём статистичёскую достоверность, то зависимость числа счетов совпадений от величины задержки (фиг. .2в, вид снизу) будет совпадать с зависимостью от времени квадрата модуля волновой функции электрона (f(t) . Следовательно, п этой функции распределения можно определить длительность волно,вого паке та во времени, умножая ее на скорость электрона и продольный размер волнового пакета,. Например для определения длины волнового пакета на-, уровне 0,5 измеряют отрезок времени At, на краях которого число счетов совпадений уменьшается вдвое, и затем умножают его на скорость электрона. Точность результатов измерений в рассмотренной схеме осуществления предлагаемого способа определяется превьшением числа полезных совпадений по отношению к случайным совпадениям и быстродействием детекторов. Появление случайных совпадений мо жет быть вызвано двумя причинами. Дп сокращения времени измерений описан ным способом электроны в измерительную установку можно направить не по Vодному5 а в виде пучка электронов. При этом, возникает возможность совпаде1шя таких событий: выбивания 5 электрона из мишени 3 одним электроном и регистрация детектором 7 друго го электрона. Кроме того, возможны случайные Совпадения отсчетов, связа1шых с собствехшымй шумами фотоумножителей. Сделаем количественшле оценки этих эффектов. Для этого обозначим через Р, и Р эффективности регистра ции электронов соответственно фотоум ножителем 6 с детектором 5 и фотоумножителем 8 с детектором 7J а через k - вероятность выбивания одним элбк троном одного S -электрона из мШени 3 ..(имеются в виду те 8 -электроны, |которые достигают затем детектора 5) Пусть из источника 1 вылетает N эле тронов 1-в секунду. Тогда среднее чис ло полезных счетов совпадений в секунду равно п « ,kR, а число счетов в секунду каждого из фотоумножителей 6 и 8 соответственно равно п, - P,kN + n + R,(2) где Rj и R - число шумовыхимпульсов в секунду фотоумножителей 6и 8. Следовательно, число случайныхсовпадений в секунду равно п 2t(P,kN + R)(PiN -t- Rj), (3) a отношение сигнал/фон: n .i:N Пц, 2cr(P, kN + R,)(PiN + R) где т - разрешающее время схемы совпадений. Из формулы (4) можно определить интенсивность пзгчка электроноЬ N Hf,, обеспечивающую максимальное отношение сигнал/фон N :J-5iBl.fS--) о ч ь-Р Р . kilFj Пп, niax - I Если, например J -электроны после их выбивания доускоряются ускоряющим потенциалом до энергии первоначальных электронов и оба детектора работают в одинаковом режиме, то R R., Р Р -Ri-.Ri и тогда (5) приво 2- PI kP, дит к условию kPi 2() Пп, n-9 Обычно о 510 с. Если принять (,ох О TOR,10 kP. Например при энергии электронов 30 кэВ и давлении газа в мишени реальным} являются значения Р, 0,1: k « 33 . Тогда имеем R, IО импульсов/с, что также я1зляется вполне реальным. В рассмотренном примере число полезных совпадений (формула 1) п 3 импульсов/с. Следовательно, например за 100 с можно достигнуть статистической- точности - 5%. Для осуществления измерений предлагаемым способом должно быть обеспечено достаточное быстродействие детекторов. На современном уровне техники оно составляет величину порядка,iO, с, что позволяет проводить измерение волновых пакетов электронов длительностью несколько наносекунд. Однако с развитием техники детекторов в дальнейшем на основе пред лагаемого способа будет возможным проведение измерений и меньших продольных размеров волновых пакетов. Кроме того, для проведения измерений с помощью предлагаемого способа также, как и в прототипе, должна быть обеспечена идентичность электронов, с которыми проводятся измерения,т.е. одинаковые размеры их волновых пакетов. Этого можно достигнуть, наприме если ползгчать электроны из одного ис точника, в котором сведены до миниму ма случайные флуктуации, вызванные, например, -случайными колебаниями питающих напряжений, коммутирующих уст :ройств и т.д. Следует отметить, что приведенные на схеме фиг. 1 устройства не являют ся обязательными для реализации пред лагаемого способа.. Например для регистрации электронов могут быть использованы микроканальные пластины. При более высоких энергиях электронов вместо газовой мишени 3 могут

/; 2gZ быть использованы тонкие алюминиевые мишени и т.д. . Предлагаемьй способ индикации волнового пакета электрона обладает тем преимуществом, что с его помощью может быть измерен продольный размер волнового пакета электрона, что не- . возможно сделать на основе прототипа. Кроме того, предлагаемый способ ха-. рактеризуется пр1остотой интерпретации результатов .измерения продольного размера волнового пакета электрона. Как было показано вьше, полученная в результате измерений функция распределения измеренных отрезков времени между выбиванием 8 -электрона и последующей регистрацией электрона совпадает с распределением s продольном направлении квадрата модуля волновой функции электрона. Это явпяется преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом, в котором информация о размерах волнового пакета электрона (поперечных) извлекается путем сложной обработки интерференционной картины, полученной в результате измерений.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛНОВОГО ПАКЕТА СВОБОДНОГО ЭЛЕКТРОНА с. помощью пучка идентичных электронов, о.тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью измерения продольного размера волнового пакета электрона измеряют промежуток времени между моментом ныбивания электроном из помещенной на его пути мишени -электронов и моментом его последующей регистрации после выхода из мишени, затем эту операцию пбвторяют многократно с другими электронами до получения статистической достоверности числа значений каждого измеренного промежутка времени, а длину волнового пакета определяют по полученной из этих измерений фзшкций распределения промежутков времени.

ШН