Способ получения импульсного пучка поляризованных электронов Советский патент 1991 года по МПК H05H7/02 

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

Целью изобретения является упрощение способа получения импульсного пучка поляризованных электронов.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для реализации способа; на фиг. 2 приведена зависимость потенциала (рот Z.

Способ получения импульсного пучка поляризованных электронов осуществляют следующим образом.

На плоскую поверхность 1 диэлектрика (фиг. 1), расположенную в плоскости XY, помещают электроны, что можно сделать, например, электризацией трением либо с помощью вспомогательной электронной пушки 2, из которой на поверхность диэлектрика направляют пучок 3 электронов низкой энергии. В области локализации электронов создают магнитное поле (§ на фиг. 1), перпендикулярное поверхности диэлектрика. При наличии магнитного поля возможны два состояния поляризации электрона: со спиновым магнитным элементом, направленным вдоль магнитного поля, и с Противоположно направленным спиновым магнитным моментом. Первое состояние является энергетически более выгодным, и при выборе величины магнитного поля, при которой разность энергий этих состояний больше энергии теплового движения спинов электронов, практически все электроны перейдут в это состояние через время, равное времени релаксации спинов в магнитном поле, т.е. степень поляризации наклонных электронов будет близка к 100%. Создавая после этого электрическое поле(Е на фиг. 1), перпендикулярное поверхности диэлектрика, можно снять эти электроны с

О hO 4

СО

поверхности диэлектрика и сформировать из них пучок поляризованных электронов. Практически это сделать легко, так как магнитное поле, перпендикулярное поверхности диэлектрика, направлено вдоль траектории этого пучка. Частота повторения импульсов тока пучка определяется вре- менем релаксации спинов, которое в рассматриваемых условиях не превышает 1СГ3с.

Величина электрического поля, требуемая для получения пучка поляризованных электронов заданной интенсивности, определяется следующим образом.

Энергетические уровни электрона на поверхности диэлектрика описываются следующим соотношением:

2Л2Ј0 , Гех272m

(-Ј0 Z О

где п - главное квантовое число (п

1,2,3,...);

ге - классический радиус электрона, м: Л: - комптоновская длина волны, м; ЕО энергия покоя электрона, Дж;

Ј

Z л (F + 1 Б Диэлектрическая постоянная диэлектрика.

При этом потенциал изображения имеет вид

-f(2)

При наличии электрического поля Е, нормального к поверхности диэлектрика,

p ,(3)

где ЕО - напряженность электрического поля, В/м.

Зависимость потенциала от Z показана на фиг, 2 при отсутствии (пунктир) и наличии (сплошная кривая) электрического поля. При наличии электрического поля прозрачность барьера D для электрона с энергией ЕП, как известно, равна

-Ј vЈT/Vep(z)-en

D

Z1

(4)

где)- постоянная планка, Дж с;

с - скорость света, м/с;

величины Zi и 7.г показаны на фиг. 2.

Подставляя потенциал (3) в(4) и проводя интегрирование, получим

50

D 47T2Z2cr ,ге ,3 (л) х

хехр /-JSj K -./1+у-/ П- , « °v «г

. УГЕ(У 2j-(t V;c-1

D exp{ C V2Ј°EoZ2 (Zi+Z2)x 55L к

xE()2ZlK( }|(5)

где К, Е - полные эллиптические интегралы соответственно первого и второго рода. Пользуясь соотношением

ep(Zi)ey(Z2)en(6)

и формулами (1) и (3), определим Zi и 7.2. Подставляя их значения в (5), получим

к-1

Вероятность прохождения частицы через барьер за время определяется, как известно, следующим соотношением P-Dfr, (9)

где f - частота колебаний, с , электрона к потенциальной яме (3), которая, как легко показать, для частицы с энергией Јп равна

fn

4rt2Z2C ,Ге-.з

П3ге

( е N ;

(с)

(10)

Подставляя (8) и (10) в (9), получим

D 4л:2г2сг хге 4.3 Рп RISfc} N

35

и exp Jк(|

+

(11)

1

или для электрона в основном состоянии п 1

D 47T2Z2cr ,ге ,3 (л) х

Если на поверхности диэлектрика было накоплено N электронов, то число электронов в пучке 4 (фиг. 1), очевидно, равно PiN, т.е. импульсный ток этого пучка

1 (13)

Следовательно, для получения импульсного тока пучка поляризованных электронов, равного I, должно выполняться условие

47T2Z2cN Лечз

Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого способа.

Пусть на поверхность оргстекла с Ј 2,2 площадью 10 м (1 на фиг. 1) из электронной пушки 2 направляют электронный пучок 3 с током 0,2 мА и энергией электронов, например, 100 эВ. За время 10 с на поверхности диэлектрика накопится заряд 2 Кл, т.е. N 1,2 1013 электронов. К диэлектрику прикладывают магнитное поле, перпендикулярное его поверхности. При этом энергетические уровни электронов расщепляются. Энергетически более выгодным является состояние, в котором спиновый магнитный момент электрона параллелен внешнему магнитному полю. Поэтому все электроны чрез время, равное времени релаксации спинов, перейдут в это состояние при условии, что энергия теплового движения меньше разности энергий указанных энергетических уровней. Энергия теплового движения, приходящаяся на одну степень свободы, равна, как известно

1

kT, а разность энергий спина электрона в

магнитном поле - 2,м В. Поэтому переход в наиболее выгодное энергетически состояние произойдет при условии

2/ B 1/2kT(15)

или

В Ь (16)

Например, при Т 10 К, В 3,7 Тл.

После накопления электронов на поверхности диэлектрика через время, равное времени релаксации их спинов, можно

включить электрическое поле дня их отрыва от поверхности. Пользуясь формулами (14) и (8), найдем требуемую для этого величину электрического поля. При рассмотрен- 5 ных выше условиях (е 2,2, N 1,2- 1013) расчет показывает, что для получения импульсного тока пучка поляризационных электронов, например, 0,5 А требуется электрическое поле Е 9,2 106 В/м. Получить

10 электрическое поле такой напряженности не составляет труда.

В случае накопления электронов на поверхности ферродиэлектрика с кубической кристаллической решеткой величину индук15 ции магнитного поля, перпендикулярного поверхности ферродиэлектрика, выбирают равной индукции его насыщения. Для реальных ферродиэлектриков эти величины составляют обычно 0,15-0,45 Тл. Пусть на

20 поверхности ферродиэлектрика, как и в предыдущем примере накоплено с помощью электронной пушки (1 на фиг. 1) N 1,2 1013 электронов за с. Через время, равное времени релаксации спинов на25 копленных электронов, каждый из них будет ориентирован в направлении намагничивания ближайшего к нему кристаллита поликристалла. Этот процесс будет происходить при комнатной температуре и относительно

30 небольших полях(0,15-0,45Тл, как указано выше), так как взаимодействие в случае ферродиэлектрика имеет вследствие обменного взаимодействия коллективный характер. Расчет по формулам (14) и (8) показывает,

35 что в данйом случае для реальных параметров феррита электрическое поле, требуемое для получения импульсного тока пучка 0,5 А, имеет величину порядка сотен киловольт на сантиметр.

40

Определим степень поляризации пучка поляризованных электронов в рассматриваемом примере. Согласно основным свойствам спиноров для электрона с на45 правлением спина под углом в к направлению магнитного поля вероятность обнаружить спин в направлении поля равна

2 0 cos -n, а в противоположном направлении

- sin2 -я. Следовательно, степень поляризации этого электрона в направлении поля

Рл cos

в

sin

2 в cos в

(17)

Считая, что кристаллиты в поликристалле расположены хаотически, определим степень поляризации электронов, усредняя выражение (17)

где dQ- элемент телесного угла;

вт - максимальный угол между направлением спина электрона и направлением магнитного поля, т.е. максимальный угол между осью легкого намагничивания кристаллита поликристалла и направлением внешнего магнитного поля.

Поскольку в ю, ическом кристалле имеются три оси легкого намагничивания, то каждый из кристаллитов будет намагничен вдоль той из них, которая отстоит от направления магнитного поля на наименьший угол Легко видеть поэтому, что tg вт VJ2T

,54040, cos2 0,79.

Таким образом, в рассмотренном примере путем накопления электронов на поверхности поликристаллического ферро- диэлектрика с кубической решеткой можно получить пучок электронов с импупьсным током 0,5 А и степенью поляризации около 80%.

Более высокую степень поляризации можно получить путем накопления электронов нэ поверхности монокристаллического ферродиэлектрика. В этом случае, направляя магнитное и электрическое полт вдоль оси легкого намагничивания монокристалла, получим пучок электронов со степенью поляризации 100% (и с той же интенсивно- стью 0,5 А), так как все электроны на поверхности диэлектрика по истечении времени релаксации спинов будут поляризованы в направлении оси легкого намагничивания.

На основе данного способа может быть получен пучок электронов со степенью по- ляризации 100%, импульсным током пучка 0,5 А, частотой следования импульсов 100 Гц.

Формулаизобретения

1. Способ получения импульсного пучка поляризованных электрснов, заключающийся в накоплении электронов на поверхности диэлектрика и воздействии на них магнитным и перпендикулярным к диэлектрической поверхности электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью

0

5

упрощения способа, магнитное поле ориентируют также перпендикулярно к поверхности диэлектрика, а величину его индукции выбирают такой, чтобы энергия теплового движения спинов накопленных электронов была меньше разности энергии спинов, ориентированных вдоль магнитного поля и в противоположном направлении, при этом электрическое поле возбуждают через время, превышающее время релаксации спинов электронов в магнитном поле, а величину напряженности Е0, В/м. выбирают из условия

4л:222Ст /ге ч3 ъfc)

.

/с-1

к-1

гдег

е- 1

, Ј - диэлектрическая по4(Ј + 1 ) стоянная диэлектрика;

С - скорость света, м/с; ге - классический радиус электрона, М; Ас - комптоновская длина волны, м; N - число электронов;

r eoZ3

/С -

eg)4.- энергия покоя

Ге Ео электрона, Дж;

К, Е - полные эллиптические интегралы соответственно первого и второго рода;

I - требуемый импульсный ток поляризованных электронов, А;

э - заряд электрона, Кл.

2, Способ по п. 1,отличающийся тем, что индукцию магнитного поля В, Тл, выбирают из условия kT

В

4/

где к - постоянная Больцмана, Дж/К;

Т - температура диэлектрика, К;

/и - магнитон Бора, Дж/Тл,

3. Способ по п. 1,отличающийся тем. что накопление электронов осуществляют на поверхности ферродиэлектрика, а величину магнитного поля выбирают из условия намагничивания феррсдиэлектрика до насыщения.

В k if

Изобретение относится к технике генерации ионизирующих излучений. Цель изобретения - упрощение способа получения импульсных пучков поляризованных электронов. Изобретение предусматривает воздействие на электроны, накопленные на поверхности диэлектрика, ориентированными перпендикулярно поверхности электрическим и магнитным полями. Величину индуктивности магнитного поля выбирают такой, чтобы энергия теплового движения спинов накопленных электронов была меньше разности энергий спинов, ориентированных вдоль и навстречу масштабному полю. Приводятся выражения для расчета напряженности электрического и магнитного полей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. И

/ /tVw.

////////////////////////////////////////////

Фиг.1

Л

Јм