Способ измерения параметров электронного пучка или плазмы Советский патент 1983 года по МПК G01J3/36 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при исследовании плазмы, ядерной физике, в частности при решении проблемы уп11 вляемого термоядерного синтеза, при разработке кол . лективных методов ускорения ионов, генерации волн СВЧ и т.д. Известен метод определения параметров плазмы или электронного пучка путем исследования спектрального состава рассеянного электромагнитного излучения от зондирующего иЬточника (метод томсоновского рассеяния) , позволяющий получить количественные результаты 1. В методе используется пряЛая зависимость доплеровского уширения спектра рассеяния от температуры исследуемого объекта. Однако метод прИ меним только для иизкотемпературной плазмы и нерелятивистских пучков или для максвелловской изотропной ( EI том числе релятивистской) плазмы, так как в противном случае величина уширения не может быть определена од нозначно. Способ не применим для определения параметров плазмы, движущейся с релятивистской скоростью и релятивистских электронных пучков. Известен способ измерения парамет ров электронного пучка или плазмы по поляризационным характеристикагЯ неколлективно рассеяного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскополяризованным электромагнитным излучением споследукяцей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров. 2 . . Недостатком известного способа яв ляется то, что он применим только для изотопной плазмы, Другим недостатком является ого информативная ограниченность: за исключением одного параметра - темпе ратуры, данным способом невозможно определение в объекте никаких других параметров. Целью изобретения является, определение параметров распределения электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистс ком электронном пучке (РЭП) или в движущейся с релятивистской скоростью плазме.. Поставленная цель достигается тем что в способе измерения параметров электронного пучка или плазмы по поляризационным характеристикам неколлективно рассеянного излучения, вклю чающем зондирование объекта исследоаания монохроматическим плоскополярйзованным электромагнитным излучени ем с последухжцей математической обра боткой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, выби рают в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров; в каждом из выбранных интервалов измеряют угол между направлением максимальной поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический вектор падающей и волновой вектор рассеяной волны. / Суть способа заключается в следующем. Зондируют изучаемый объект мо( нохроматическим (и плоскополярйзованным излучением; определяют направление электрического вектора 1 зондирующего излучения выбирают угол для регистрации рассеянного излучения в ; получают развертку спектра рассеянного излучения ( ), выделяют спектральные интервалы аш, в диапазонеГш . J в каждом выделенном интервале измеряют угол между направлением максимальной поляризации и плоскостью f ; полученные значения /v подставляют в систему уравнений iilZl С ,3|oj и решают относительно искомых парамеэ ров. j ; i 1, 2, 3, 4 - расчетные значения йнтенсивнрстей рассеянного под углом 0 излучения в j спектральном интервале , определяемые из (2) JL(uj.| лю.) 1 cJculdV lf (2, (-гН -(x;.x,;.X.;V;x(o-±X).bv. где Зд(п,У|- интенсивность зондирующего излучения, объем рассеяния, п безонцентрация электронов,ыг - . размерная частота рассеянного излучения, б () - зависящее от скорости сечение рассеяния на одиночном электроне, f (Х.Х,.- Х, :V ) - функция распределения электронов по скоростям, Х, Xj,... Х - .подлежащие определению параметры функции распределения, аргумент учитывает изменение частоты в каждом акте рассеяния, интегрирование ведется по всему пространству скоростей, V, V - скорость и модуль скорости электронов, причем Сечение рассеяния 4V) (l-v2)(l-Vcos9j. (3) (VbrJ (-i-cosej) 1,2,3,4 где Гд классический радиус электр на. (41 .)(l.).s.(|.|, fcosefj; тильдой сверху (-) отмечены величины, относящиеся к системе отсчета п коя электрона ЧЯ COS бм-il:i: li± fi L (1-VCOS0J(1-VC0502) .(,,. f3/ -5 2yco52y/l cos2ot.J |5 -cos2y fj cos2y (7) y -S«n2y f j sin2y f -cos2y |J Sin2r f -Stn2y1 где угол у определяется выражением V pi cos 0 -f 2co59 cose co 9-V(cOS© +00562) В задачах диагностики РЭП вид фун ции распределения зависит от условий лучения и транспортирования пучка. В каждом конкретном случае задают вид функции распределения и вид фун ции распределения и выбирают в ней т-подлежащих определению параметров связанных с разбросом электронов по модулям, или по модулям и направлениям скоростей. Например, для РЭП, в котором все электроны имеют одинаковый угол раз лета Р к оси пучка, гауссовское (с температурой Т) распределение по модулю скорости и среднее значение скорости Vjj , функция распределения будет иметь вид г т. / .. V 2 (,T,V,)«.{-(-)j, c(v -Vsin.) , где V - перпендикулярная к оси РЭП составляющая.скорости; mg- масса электрона. Определению подлежат параметры Ф, Т / V. Для этого подставляют функ цию распределения в (2), находят,яв ную зависимость интенсивностей J ot параметров t , Т , VQ , подставляют DJ в. (1) и получают систему уравнений ..v,). где слева стоят измеренные значения углов ftj, а справа - найденные из (1 - 7). Аналогично поступают и для определения параметров плазмы, движущейся с релятивистской скоростью. На фиг. 1-3 изображены векторные диаграммы используемых при измерениях полей излучения; на фиг. 4 изображено устройство, с помснльюкоторого реализуется данный способ. Устройство содержит лазер 1 для генерации монохроматического зондирующе.го излучения под углом 0 к оси пучка; поляроид 2 для поляризации зондирующего излучения под углом о относительно нормали к плоскости рассеяния (плоскости П) (см. фиг.1); вакуумную камеру 3 с окнами 4, прозрачными для зондирующего и рассеянного Излучений; генератор РЭП 5; объектив 6, оптическая ось которого составляет угол е с направлением зондирования (для выделения пучка рассеян ного под углом 0 излучения}) полупрозрачную пластинку 7 для отражения части рассеянного излучения в опорный фотоприемник 8; отградуированный электрооптический элемент 9,для поворота плоскости поляризации | ассеянн6го излучения; генератор 10 пилообразного напряжения для управления электрооптич ским элементом 9; поляроид M.L спектрограф 12 для разделения пространстве излучения с различными длинами волн; диафрагмы 13 для вьщвления в спектре рассеянного излучения частотные интервалы Дшсветоводы 14 для передачи рас- сеянного излучения в выделенных частотных интервалах jujy на соответствующие фотоприемники 15;. многоканальный запоминающий осциллограф 16 для записи сигналов с фотоприемНИКОВ 8 и 15. Устройство ра,ботает следующим об- . ра 3 ом. Выставляют ось поляризации поляроида 2 под углом oL к нормали плоскости рассеяния; выставляют ось поляризации поляроида 11 под углом ot2 arcig-(cos ) к нормали плоскости рассеяния (см. фиг. 1); с помощью лазера 1 производят зондирование электронного пучка импульсом монохроматического излучения с частотой и/ синхроимпульс от лазера ч, соответствующий началу зондирования, подают на з.апуск генератора 10 пилообразного напряжения и на запуск временной развертки осциллографа 16; из рассеянного-под угломб излучения при помощи объектива 6 выделяют пучок, часть излучения пучка, отраженную полупрозрачной пластиной 7, подают в опорный приемник 8, сигнал С которого (соответствующий интенсив ности рассеянного в опорный приемник 8 излучения) регистрируют с помощью осциллографа 16; другая часть выделенного объективом б излучения проходит полупрозрачную пластинку 7 и попадает на электрооптический элемент 9, который поворачивает .плоскость поляризации рассеянного излучения на угол, пропорциональный приложенному к нему напряжению, что при водит к модуляции интенсивности проходящего через поляроид 11 излучения затем при помощи спектрографа 12 и диафрагм 13 выделяют составляющие этого излучения в частотных интервалах; вьщеленные составляющие по световодам 14 поступают на соответствуюс11йе фотоприемники 15) сигналы с фотоприемников 15, пропорциональные изменению интенсивности излучений в каждом частотном интервале, за писывают на экране осциллографа 16; строят график изменения во времени отношения интенсивности Излучения в каждом частотном интервале dtuj к интенсивности опорного сигнала; по графику определяют момент времени ij от начала развертки, в который это.отношение максимально; определяют .величину напряжения и- на электрооптическом элементе 9 в момент t где Т - время нарастания напряжения на генераторе 10 от О должно быть меньие времени импульса зондирования). Максимальное напряжение , должно обеспечивать поворот плоскости поляризации излучения не менее, чем на 90); определяют угол поворота плоскости поляризации рассеянного излучения в частотном интервале Aui,} в момент времени t; ,., где ftj - искомый угол поворота, К, коэффициент пропорциональности между углом поворота и приложенным к электрооптическому элементу 9 напряжением от генератора 10 (берут из градуировочного графика на электрооптический элемент); подставляют полученные значения /j; в систему уравнений (1), которую решают с учетом (2 - 7) относительно искомых параметров. Способ обеспечивает возможность одновременного измерения всех определяемых параметров.в широком диапазоне; исключает необходимость спектральной калибровки фотоприемников и связанные с этим погрешности; обеспечивает спектральный метод томсоновского рассеяния (дальнейшим развитием которого является) максимально возможное временное и пространственное разрешение.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ИЛИ ПЛАЗМЫ по поляризационным характеристикам неколлективно рассеянного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскополяризованным электромагнитным излучением с последующей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, о тличаюадийся тем, что, с целью определения параметров распределения электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском пучке или движущейся с релятивистской скоростью плазме, выбирают в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров, в каждом из выбранных интервалов измеряют угол между направлением максимальной с S поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический (Л вектор падаквдей и волновой вектор рассеянной волн.

фиг.г

(рогЪ

tt

n