Способ получения пучка поляризованных электронов Советский патент 1992 года по МПК H05H6/00 

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

Известен способ получения пучка поляризованных злектронов путем рассеяния неполяризованного пучка злектронов на твердой мишени. В этом способе степень поляризации рассеянного пучка электронов определяется атомным номером вещества мишени, ее толщиной, углом рассеяния. Наибольшая степень поляризации наблюдается при рассеянии назад (на углы 100-140°) от тонкой мишени из вещества с большим атомным номером,

Например, при рассеянии электронов с энергией 100 кэВ от мишени из золота () толщиной 10 м на угол 120° степень поляризации рассеянного пучка составляет

40%. При увеличении толщины мишени изза многократного рассеяния электронов степень их поляризации сильно уменьшается.

Недостатком этого способа является малая интенсивность пучка поляризованных злектронов. Для увеличения его интенсивности необходимо увеличивать интенсивность направляемого на мишень неполяризованного пучка электронов. Однако это не представляется возможным, так как при поглощении в тонкой мишени пучка высокой интенсивности мишень испаряется. С другой стороны, нельзя увеличивать толщину мишени, так как при этом из-за многократного рассеяния злектронов в мишени сильно уменьшается степень поляризации рассеянного пучка.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения пучка поляризованных эяектронов путем рассеяния неполяризовэнного пучка электронов на газовой мишени из вещества с большим атомным номером. В этом способе газовую мишень получают путем пропускания паров ртути fZ-SO) через сопло Лаваля, создающее направленный поток. В этом случае отсутствуют ограничения возможности увеличения интенсивности пучка поляризованных электронов из-за испарения мишени, так как в качестве мишени используются сменяющие друг Друга атомы ртути.

Недостатком прототипа является его сложность. Для его реализации необходимо осуществлять нагревание ртути, формировать из ее паров струю, использовать азотные ловушки для вымораживания паров ртути (в противном случае ртуть распространится по всему вакуумному обьему). Дополнительные сложности связаны с ТОКСИЧНОСТЬЮ паров ртути, в результате обязательно выполнять соответствующие меры по технике безопасности.

Цель изобретения - упрощение способа получения поляризованных пучков электронов.

Поставленная цель в способе получения пучка поляризованных электронов путем рассеяния.неполяризованного пучка электронов на газовой мишени из вещества с большим атомным номером достигается тем, что неполяризованный пучок электронов направляют на металлический коллектор, а после попадания на него части импульса тока этого пучка, в течение которой происходит образование газовой мишени путем испарения материала коллектора, формируют пучок поляризованных электронов из электронов, рассеянных на этой газовой мишени в течение остальной части того же импульса тока неполяризованного пучка.

Предлагаемый способ позволяет получить положительный эффект, заключающийся в упрощении способа получения пучка поляризованных электронов.

Способ осуществляют следующим образом.,.

Пучок неполяризованных злектронов высокой интенсивности направляют на коллектор, выполненный из металла с большим атомным номером. Параметры пучка выбирают таким образом, чтобы при поглощении начальной части импульса тока пучка происходило испарение поверхностного слоя материала коллектора. При этом образуется газ из молекул вещества коллектора. Элект РОНЫ из последующей части того же импульса тока пучка будут встречать на своем пути этот газ и рассеиваться на нем. При рассеянии будет происходить поляризация электронов Из пучка, рассеянного на газе из материала коллектора формируют пучок поляризованных электронов. Формирование

поляризованного пучка из электронов, рассеянных на газовой мишени, должно обязательно производиться в течение того же импульса тока деполяризованного пучка, начальная часть которого образует газовую

мишень путем испарения материала коллектора, поскольку к следующему импульсу эта газовая мишень уже не будет существовать иЗ-за естественной диффузии.

Для испарения слоя коллектора толщиной X (м) поглощаемая в этом слое энергия W Дж должна удовлетворять условию

W - тС(Тк - То),

(1)

20 где С - теплоемкость материала коллектора, Дж/кг град;Тк - температура кипения материала коллектора; То - температура коллектора до попадания на него пучка; m масса испаряемого слоя коллектора, кг,

гдеm pXS,(2)

о - плотность материала коллектора, кг/м ; S - поперечное сечение пучка на коллекторе, м Подставляя (2) и (1) имеем

w pxscrrK-To).

(3)

Если энергия электронов пучка равна Б (Дж), 35 импульсный ток пучка 1о (А), то полная энергия пучка, попадающего на коллектор за время г (с), равна

1оГ

(4)

Wo

где е - заряд электрона, Кл. Поглощение пучкаэлектронрв при прохождении вещества происходит, как известно (4), по закону

1 1ое-/

(5)

где jU - линейный коэффициент поглощения, м: I - ток пучка, прошедший слой вещества толщиной X, м. Из (5) и (4) следует, что энергия, поглощенная в слое толщиной X, равна

(

(6)

Подставляя (6) в (3), имеем 15т- ерСЗ(Тк-То)Х

(7) е«о(1 )

Таким образом, в течение времени г, удовлетворяющего равенству (7), происходит испарение слоя вещества коллектора толщиной Х.На образовавшемся при этом газе из материала коллектора происходит рассеяние электронов с их поляризацией. Для получения импульса тока пучка поляризованных электронов длительностью tn(c) первоначальный пучок должен иметь длительность

.„,.(T.-To)X; 3 elo(1 -е - )

Таким образом, сущность предлагаемого способа состоит в том, что начальная часть импульса тока пучка создает газообразную мишень путем испарения материала коллектора, а электроны последующей части того же импульса, рассеиваясь на этой мишени, образуют пучок поляризованных электронов.

На чертеже приведена схема осуществления предлагаемого способа.

Согласно схеме пучок неполяризованных электронов 1 из электронной пушки 2 направляют на коллектор 3 из свинца, расположенный под углом а 60° по отношению к направлению движения пучка. Т.кип: свинца составляет 1750° С, его теплоемкость С 127 , плотность

кг град

р 1,14 . Выбирая 100 кэВ,имем

-.5 ..-1

ем, пользуясь (4),/г 69.3 10 м. Считая 1о 200 А, То 20° С; S 3 см. находим с помощью формулы (7) г 5 -10 с. Следовательно, в данном примере при импульсном токе пучка 200 А при поглощении пучка за

-8

время 5 10 с испаряется слой материала коллектора толщиной примерно 0,5 -10 м

(Х«-). f4

На газе 8 из испаренного материала происходит рассеяние электронного пучка. Наиболее выгодным с точки зрения получения максимальной степени поляризации является рассеяние на угол 120°. При этом степень поляризации рассеянного пучка составляет 40%. Для формирования пучка 4 поляризованных электронов из электронов, рассеянных на газе из молекул свинца, на углы, близкие к 120°. в рассматриваемом примере используется коллиматор 5, расположенный под углом 120° по отношению к направлению движения первоначального пучка 1. Длина коллиматора и его расположение выбирается таким образом, чтобы через него не проходили электроны.

рассеянные на коллекторе. Для этого линия А - А , проведенная из края 9-через край 7 коллиматора 5, не должна касаться наружного края 6 коллектора 3. Таким образом, в данном случае для получения импульса тока пучка поляризованных электронов длительностью, например, 10 с длительность импульса тока первоначального неполяризованного пучка должна составлять 1,05 -10 с.

0

Оценим интенсивность пучка поляризованных электронов в рассмотренном примере. Сечение рассеяния электронов с энергией 100 кэВ в единицу телесного угла

da

.

под углом 120° равна

2,8 dQ

Выбирая, например, длину коллиматора 55 -10 м, а его поперечное сечение

4 10 м , получим Q 0,16 стерадиана. Таким образом, полное сечение рассеяния в такой телесный угол под углом 120° равно

о 5,3 -10 м Вероятность рассеяния электрона равна

25

(9)

р .

где f- длина пути, м, проходимого первоначальным пучком 1 в газовой мишени; п число атомов мишени в единице объема, м . Величину п можно определить следующим образом. Число атомов в коллекторе из свинца в единице объема составляет 3,3 . атомов при испарении слоя

м

свинца толщиной 0,5 -Юм газ из его моле1 л займет объем толщиной, например, 10 м, то число атомов этого газа в единице

.24 атомов

объема будет равно п 1,65 10

2

Полагая 1 10 м и подставляя значения а,

п, 1в (9), получим Р 9 -Ю. Поэтому при выбранном значении тока первоначального пучка 200 А будет получен пучок поляризованных электронов с импульсным током 0,18 А.

Формирование пучка поляризованных электронов не обязательно осуществлять путем коллимации. Для этой цели могут

быть использованы, например, электрические или магнитные поля специальной конфигурации.

Возможность создания газообразной мишени требуемой плотности из атомов, испаряемых из свинцового коллектора под ействием электронного пучка, и рассеяния пучка на этой мишени на угол 120° проверена экспериментально. Согласно схеме установки пучок электронов из электронной пушки с катодом со взрывной эмиссией направляется на коллектор 3. Импульсный ток пучка составляет 70 А, длительность импульса 0,5 МКС. Длина коллиматора 5 4 см. Расстояние от края 7 коллиматора до плоскости, в которой расположена поверхность коллектора 3 составляет 0,3 см. Площадь поперечного сечения коллиматора равна. 4 err. При выбранных условиях линия А-А не касается поверхности коллектора, так что в коллиматор не могут попадать электроны рассеянные на коллекторе, т,е, в него попали только электроны, рассеянные на газовой мишени толщиной 10 мм. Амплитуда и форма импульса тока пучка, попавшего на коллектор, измеряются осциллографом 10. Электроны, рассеянные на газовой мишени на углы, близкие к 120°, проходят через коллиматор (расположенный под углом 120° по отношению к направлению движения первоначального пучка) и попадают на другой коллектор 11, Амплитуда и форма импульса тока пучка с коллектора 11 измеряется осциллографом 12, Результаты проведенных измерений показали, что при импульсном токе пучка 70 А и энергии электронов 100 кэВ амплитуда импульса тока пучка, рассеянного на газовой мишени на угол 120°, составляет 0,05 А. При выбранной в эксперименте геометрии и параметрах первоначального пучка такая интенсивность рассеянного пучка имеет место при плотности газовой мишени п 1,6 10 м , Таким образом, экспериментально показана возможность получения газовой мишени требуемой плотности при испарении поверхностного слоя свинцового коллектора под действием электронного пучка и рассеяния пучка на этой мишени с целью получения поляризованного пучка электронов. При рассеянии электронов на мишени из атомов свинцауказанной выше толщины и плотности на угол 120° рассеянный пучок является поляризованным со степенью поляризации 40%.

Предлагаемый способ является более простым для реализации. При его использовании нет необходимости применять нагреватели для получения паров ртути, формировать из его паров струю, использовать азотные ловушки для вымораживания ртути, как это делается в прототипе. Нет необходимости использовать такое токсичное вещество, как ртуть, что в прототипе приводит к дополнительному усложнению из-за необходимости применения правил техники безопасности. В предлагаемом способе газовая мишень образуется непосредственно электронным пучком, рассеяние которого на ней приводит к получению поляризованного пучка, так что для реализации предлагаемого спо.соба нет необходимости использовать какие-либо дополнительные, устройства. Газовая мишень в предлагаемом способе образуется только во время импульса тока пучка, т.е. именно тогда, когда она нужна (в течение 1,05 мкс) в то время, как в прототипе ртутные пары поступают непрерывно, поэтому загрязнение вакуумной камеры в предлагаемом способе практически отсутствует. Кроме того, в предлагаемом способе представляется возможным использовать в качестве мишени пары более тяжелых элементов, чем в прототипе, что позволяет получать большую интенсивность (которая пропорциональнаг) и большую степеньполяризации (пропорциональную Z) электронного пучка.

Формула изобретения

Способ получения пучка поляризованных электронов, основанны1 на взаимодействии пучка неполяризованных электронов с газообразной мишенью и последующим выделением потока поляризованных электронов, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, газообразную мишень формируют путем испарения вещества твердотельной мишени за счет ее бомбардировки передней частью импульса пучка неполяризованных электронов.

Изобретение относится к методам получения пучков поляризованных частиц и может быть использовано при создании импульсного источника поляризованных злектронов для ускорителе'й. Цель изобретения - упрощение способа получения поляризованных пучков злекУронов. Газообразную мишень формируют путем испарения твердотельной мишени, направляя на нее переднюю часть пучка неполяризованных злектронов. Та КИМ образом, поток неполяризованных злектронов y4actByeT как в формировании газообразной мишени, так и в последующей поляризации. 1 ил.«ё