Способ получения импульсных пучков поляризованных электронов Советский патент 1990 года по МПК H05H6/00 

Изобретение относится к методам получения пучков поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для ускорителей.

Целью изобретения является упрощение способа и улучшение условий формирования пучка поляризованных электронов.

На фиг.1 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - схема энергетических уровней электрона на поверхности диэлектрика в магнитном поле„

Устройство (фиг.1) содержит диэлектрик, на поверхности 1 которого . осуществляется накопление электронов,

инжектируемых из электронной пушки 2 в виде пучка 3,

На фиг,1 обозначены поток 4 фотонов электромагнитного излучения, направляемый на область накопления электронов, Д пучрк 5 поляризованных электронов, Е и Н - соответственно векторы напряженности электрического и магнитного полей.

На фиг„2 показаны энергетические уровни 1,2,„..,п с главным квантовым

ел

05 ОЭ

сл

N3

3

числом 1,2,.0,п соответственно, а - переход эпектрона с нижнего подуров- ня с главным квантовым числом 1 на верхний подуровень с главным квантовым числом п, б - переход электрона с верхнего энергетического подуровня с главным квантовым числом 1 на нижний энергетический подуровень с главным квантовым числом п. Коротким стрелками показано направление проекции спина электрона на направление магнитного поля.

Способ получени импульсных пучков поляризованных электронов осуществляется следующим образом.

На плоскую поверхность 1 диэлектрика, расположенную в плоскости ху, помещают электроны. Это можно сделат

например, с помощью специальной вспо20

могательной электронной пушки 2, из которой на поверхность диэлектрика направляют электронный пучок 3 с низкой энергией электронов. Количество электронов (или их полный заряд) опре- . деляется необходимой величиной импульсного тока пучка. Затем в области их ло- локализации создают магнитное поле, параллельное поверхности диэлектрика,

Энергетические уровни электрона на поверхности диэлектрика описываются следующим соотношением:

30

Пл2/- 2. , с - г

(1)

где Ј0 - энергия покоя электрона, Дж; rg - классический радиус электрона, м:

Лс-- комптоновская линия волны

электрона, м;

п

(2)

1,2,3... - главное квантовое число(

Е Л Z 4(6+1)

где Ј - диэлектрическая постоянная

диэлектрика.

При включении магнитного поля энгетические уровни расщепляются (эффект Зеемана):

27 ес z

™

%-

±|UB

(3)

где (К - магнетон Бора, Дж/Тл;

В - магнитная индукция, Тл, Если облучить поверхность 1 диэлектрика электромагнитным излучением 4 (фиг.1) с длиной волны т , определяемой выражением

I

(4)

jjT)±2fi«B,

5

где

л

0

5

с - скорость света, м/с;

h - постоянная Планка, Дж-с; Ј0 ,гр , соответственно энергия покоя, Дж, классический радиус, м и комптоновгкая длина волны, м, электрона; главное квантовое число для энергетического уровня, на который переходит электрон,

Г4(Ј ТУ5

0

.

0

(U - магнетон Бора, Дж/Тл; В - магнитная индукция, Тл, то для случая, соответствующего знаку + в выражении (4), происходит переход электронов с нижнего подуровня с главным квантовым числом 1 на верхний подуровень с главным квантовым числом п (линия а на фиг.2), На этом уровне могут находиться электроны только с одним определенным направлением проекции спина на ось х, совпадающим с направлением магнитного поля „

Тот же эффект имеет при облучении поверхности диэлектрика излучением 4 с длиной волны, соответствующей знаку - в выражении (4). Тогда электроны переходят с верхнего подуровня с главным квантовым числом 1 на нижний подуровень с главным квантовым числом п (линия б на фиг.2). В результате они также поляризованные, но в противоположном направлении.

Величина магнитного поля определяет расщепление уровней и, следовательно, длину волны электромагнитно- 5 го излучения для перевода электронов с нижнего уровня на верхний. Поэтому величина магнитного поля зависит от ширины полосы излучения источника электромагнитного излучения, т„е, чем шире полоса излучения, тем больше должна-быть величина магнитного поля.

После достижения установившегося режима накачки прекращают воздействие магнитного поля и создают перпендикулярное поверхности диэлектрика электрическое поле Е (В/м) такой величины, чтобы оно, удаляя электроны с возбужденных уровней, было недостаточным для удаления электронов, нахо0

0

5

515665206

., л,-,а,та нием электрического поля должен быть

дящихся в основном состоянии. Опреде-vM

„0 „owouunr-Tt. меньше времени жизни электрона в воэ- лим требуемую для этого напряженность

бужденном состоянии.

электрического поля. Потенциал поля изображения на поверхности диэлектрика If (В) имеет вид

Јzl

4(6+О

„...,

1

(5)

где е - заряд электрона, Кл.

При наличии однородного электрического поля Е, нормального к поверхности диэлектрика

z

- Е

(6)

При какой напряженности электрического поля Еп электрон с энергией fn (1) проходит над барьером. Эта напряженность электрического поля определяется, очевидно, из условия еЦ то,х 6П. Проводя вычисления, получают

Еп

-о е

л

-Й-(8)

Поэтому, если выбрать напряженност электрического поля согласно неравенству

ъ ъ/v4r33

ЪЈеп е е

то практически все электроны с возбужденных уровней и малая часть электронов с основного уровня удаляют с поверхности диэлектрика. Полученный в результате пучок 5 свободных электронов частично поляризован. Практически можно выбрать значение Е в пределах неравенства (8), при котором поляризация электронного пучка близка к 100%. Это следует из того факта,

что согласно (7)

Ей 1 отношение -- -г.

Е,

Например, даже при выборе и Е4 близком к Е4, как показывает расчет, прозрачность потенциального барьера для основного состояния составляет 10 , т.е. вклад неполяризованных электронов из основного состояния () в результирующий пучок 5 поляризованных электронов практически равен нулю.

Время жизни электрона в возбужден50 электроны, нанесенные на поверхность твердого диэлектрика, при работе с которым не возникают указанные трудности. Кроме того, электрическое поле, вырывающее электроны с поверхносном состоянии имеет, как известно, конечную величину. После снятия магнит- ти диэлектрика, может быть одновременного поля происходят спонтанные пере- но использовано для формирования пуч- ходы электронов в основное состояние, Поэтому отрезок времени между началом спада магнитного поля и установлека поляризованных электронов, В прототипе же для этой цели необходимо использовать дополнительные устройства,

меньше времени жизни электрона в воэ-

10

15

ь

бужденном состоянии.

Прекращение воздействия магнитного поля необходимо, так как при наличии магнитного поля, направленного вдоль поверхности диэлектрика, весьма затруднитепен сбор электронов, удаляемых с поверхности диэлектрика электрическим полем из-за их сложной траек - тории в скрещенных электрическом я магнитном полях. Использование магнитного поля, перпендикулярного поверхности, не представляется возможным, так как в этом случае имеет место вырождение и образуются так называемые уровни Ландау, в которых уровень с главным числом п и определенным направлением спина электрона совпадает с уровнем с главным числом п+I и противоположным направлением спина электрона „

В результате проделанных операций 25 может быть получен пучок электронов со степенью поляризации, близкой к 100%, током 0,5 А в импульсе длительностью 1 мкс.

Для заполнения поверхности диэлектрика электронами не обязательно использовать электронный пучок. Этого можно достигнуть, например, электризацией трением, В качестве диэлектрика можно использовать любой твердый диэлектрик или даже поверхность жидкого гелия.

20

30

35

Таким образом, обеспечивая получение по крайней мере не меньшей интенсивности и степени поляризации

о электронного пучка, предлагаемый способ позволяет достигнуть этого более простыми средствами. При предлагаемом способе нет необходимости использовать атомные пучки щелочных метал5 лов, из-за химической активности которых возникают серьезные трудности при получении и удержании газа таких атомов достаточной плотности. В качестве рабочего вещества используются

0 электроны, нанесенные на поверхность твердого диэлектрика, при работе с которым не возникают указанные трудности. Кроме того, электрическое поле, вырывающее электроны с поверхности диэлектрика, может быть одновременно использовано для формирования пуч-

ти диэлектрика, может быть одновременно использовано для формирования пуч-

ка поляризованных электронов, В прототипе же для этой цели необходимо использовать дополнительные устройства,

так как удаление поляризованных электронов in атомов производится другими методами. Таким образом, применение предлагаемого способа облегчает условия формирования пучка поляризованных электронов. Формула изобретения

Способ получения импульсных пучков поляризованных электронов путем воэ- действия на вещество электромагнитным излучением с параметрами, обеспечивающими переход электрона в состояние с определенной поляризацией, о т л ичающийся тем, что, с целью

упрощения способа и улучшения условий формирования пучка поляризованных электронов, на поверхности диэлектрика накапливают электроны, затем л области их локализации создают маг- о нитное поле, параллельное поверхности диэлектрика, при этом длину волны Л электромагнитного излучения, воздействующего на эту область поверхности диэлектрика, выбирают согласно вы- 25 ражению

Ъ

)± 2|МВ

о 5

где с - скорость света, м/с;

h - постоянная Планка, /(ж.с; 60, ге, соответственно энергия покоя, Дж, классический радиус (м) и комптоновская длина волны, м, электрона; главное квантовое число для энергетического уровня, на который переходит электрон;

Z (где Ј - диэлектрип e-i

4(f + O

ческая постоянная диэлектрика) ;

fb - магнетон Бора, Дж/Тл; В - магнитная индукция, Тл, а по достижению установившегося режима воздействие магнитного поля прекращают и через интервал времени, не превышающий время жизни электрона на возбужденном уровне, перпендикулярно поверхности диэлектрика возбуждают электрическое поле с напряженностью Е, В/м, удовлетворяющей условию

3 Ъ/V г- 1 3

с е

Е:

Ъ

С 3 сс z re

n Vce

где е - заряд электрона.

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для получения пучков поляризованных частиц. Цель изобретения - упрощение способа и улучшение условий формирования пучков поляризованных электронов. Для этого осуществляют накопление электронов на поверхности диэлектрика, создание магнитного поля, направленного параллельно этой поверхности, и облучение участка, на котором накоплены электроны, электромагнитным излучением определенной длины волны. По достижении установившегося режима накачки действие магнитного поля прекращают и через интервал времени, не превышающий время жизни электрона в возбужденном состоянии, перпендикулярно поверхности диэлектрика возбуждают электрическое поле с определенной напряженностью. Приводятся выражения, согласно которым выбирают величину длину волны электромагнитного излучения и величину напряженности электрического поля. 2 ил.

Составитель Е.Громов Редактор О.Юрковепкая Техред Л.Олийнык Корректор В.Кабаний

Заказ 1230

Тираж 660

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Подписное