Изобретение относится к технической физике и может, быть использовано при исследовании сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП), а в некоторых случаях движущейся с релятивистской скоростью плазмы, в частности при работе с высокотемпературной плазмой легкихэлементов и т.д.
Известен метод определения параметров плазмы при погюп(и интерферометрии, основанный на измерении величин фазового сдвига в зондирукядем излучении, позволяющий вести измерения , на неоднородных объектах 1 . .. .
Однако неоднородные объекты не обеспечивают возможности проводить локализацию области измерения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения плотности электронов в пучке, заключающийся в последовательном зондировании с сохранением геометрии рассеяния исследуемого объекта и нейтрального газа электрсмлагнитным излучением одинаковой для обоих этапов зондирования частоты и определении отношений интенсивностей
рассеянных излучений и отношения интенсивностей зондирующих излучений .при зондировании пучка и нейтргшьно5 го газа, при этом концентрация и сечение рассеяния газа предполагается известным. Этот способ позволяет покализовать 1сследуекогю область и обеспечивает достаточную точность .мерений 21.
Недостатком известного способа является то, что он не применим для измерения в релятивистских электронных пучках, так как в релятивистском
15 случае характеристики рассеянного излучения претерпевают существенные изменения. Во-первых, происходит сдвиг частоты рассеянного излучения. В связи с этим для осуществления
20 калибровки измерительного тракта частота зондировсшия газа, совпадающая « частотой зондирования объекта, больше не пригодна для этой цели. Во-вторых, интегральная по -спектру интен25сивность рассеянного излучения не пропорциональна концентрации электронов объекта, а зависит также от других его параметров, например от тем- , пературы. Это делает неприемлемым для 30 определения плотности электронов пе в РЭП известный способ и расчетную формулу интенсивности зондирования излучения на исследуемом пучке и калибровочном газе соответственно;полные эффективные сечения соответственно томсоновского рассеяния на электроне и релеевского - .на нейтральном газе, а пр плотность газа. Для определения плотности электтронов в РЭП необходимо ввести новые, отсутствующие в известном способе операции и изменить расчетную формулу так, чтобы она учитывала релятивистские эффекты. Цель изобретения - расширение области применения способа . а счет возможности исследования релятивистских пучков электронов. Указанная цель достигается тем, что в способе измерения плотности э-лектронов пучка, заключаквдемся в по .следовательном зондировании исследуе ИНОГО пучка и нейтрального газа с известным сечением рассеяния и концент рацией потоком монохроматического электромагнитного излучения с сохранением геометрии рассеяния и определении отношений интенсивностей зонди рующего и рассеянного излучений в зондируемотх объектах, измеряют среднюю энергию электронов пучка, их тем пературу, среднее значение узла разлета электронов к оси исследуемого пучка, дисперсию поперечной скорости электронов пучка, а также частотный интервал спектра рассеяния на исследуемом пучке, в котором интенсивност излучения составляет не менее 10% ма симальной интенсивности, зондировани газа осуществляют на частоте, лежаще внутри этого частотного интервала, а определение отношений интенсивностей излучений осуществляют в частотном интервале, включающем частоту зондирования газа и принадлежащем ранее измеренному интервалу частот. Считая, что плотность электронов в сильноточном РЭП имеет следующий вид функции распределения электронов по скоростям: де А - но;рмировочная постоянная} m - масса электрона; V,c - скорость электрона и света (в дальнейшем полагаем так, что скорость электрона измеряется в единицах скорости света); 8о,т - средняя энергия и температура электронов РЭП/ V (йу, - поперечная к оси пучка скорость электронов и ее дисперсия) Vg - средний угол разлета электронов к оси пучка} ущность предлагаемого способа можо ох ар акт ери 3,0 в ать следующим образом. D локализуемой области измеряют . о известной методике температуру Т, реднюю энергию электронов пучка gg, редний угол разлета VQ и дисперсию оперечных скоростей ёу, а также знаения интенсивности и частоты злучения, зондирующего РЭП. Измеряют частотный интервал („ , о t,oix котором интенсивность расеянного на РЭП излучения составляет е менее 10% от максимальной, и выбиают в этом интервале частоту ). Измеряют угол рассеяния б и углы ежду осью РЭП и направлением зондиования и регистрации рассеянного изучения в , . Измеряют в относительных единиах интенсивность рассеянного на РЭП злучения 3 е диапазоне частот Д ujj, ключающем Wj . Величины вязаны между собой cлeдyющи 1и соотошениями;к-ь-..;„,||..;|5 I i-Vcose , li -:;-;- dVdw , C-z.) .. l-VcosSo/. U)j-/)u)j/2w, + 4u).-/2 1 чувствительность приемника рассеянного излучения на частоте uiy ; uV - объем,д - телесный угол рассеяния; Л.5 - площадь поперечного сечения зондирующего луча; XQ - классический радиус электрона;V-(,)/C - модуль безразмерной скорости электронов ,е, С, К и К2 - волновые векторы соответственно зондирующего и рассеянного излучения; F-li.cos2e|((.( , . (тильдой отмечены величины, относящиеся к системе покоя электрона); f5 fi и f I , ff - параметры Стокса падакяцего и реп стрируемого излучения При этом неопределенными в выражении (2) оказываются только параметры дУ, Л5 , йй и К Для исключения их из расчетной формулы проводят второй этап зондирования. Для этого устанавливают в источнике зондирующего излучения знаНОСТЬЮ Пд. При сохранении геометрии рассеяния (в, 45, ДУ,.ЛЯ/зондируют газ излучением с частотой 0)4 и интенсивностью измеряют в тех же, относиЛ. 25
И тельных единицах, что и g.- . .... тенсивность рассеянного излучения . Величины зУ и jJ связаны соотношениемк2)1(2)И; j ц,1.,„ AY... .. y Rj Rj7 Rl5где угол -между электричёским вектором зондирующего излучения и вектором Йб, j -9 п|-ая бо. . . Були диапазон rfu) выбрать достаточно узким, чтобы можно б1лло в его пределах считать независимыми от то интегрирование по W в выражении (2) можно заменить умножением на /stoj , Из преобразованного таким образом выражения (2) и вьфакения (3J получим расчетную формулу для определения параметра:
На фиг.1 показано спектральное распределение плотности рассеянного на пучке излучения/ на фиг.2 устройство для реализации способа. .
Например, при исследовании РЭП, функция распределения которого имеет вид
I /V. :
f (V)o,03-i е Д средняя безразмерная скорость элек1 ср,90-7, угол разтроновлета ,2 йу-, 0- Если при зондировании пучка используют углы между волновыми векторами К., и Kj и осью пучка, а также угол рассеяния, равные соответственно 90, 60 и 30°, то спектральное распределение плэтнрс ти рассеянного на пучке излучений-- ;Ла2 будет иметь вид, показанный на фиг.1 / -, Г -, «2„ / 1-Усо50Л I й- i:sbj-(,H i О .- Предположим, что при этом используют излучение лазера ОГМ-40 для зондирования пучка на основной (Л 1,06 мкм), а для зондирования калиб ровочного газа на второй (Л 0,503 мкм гармонике (следовательно, ,
). Пусть в качестве калибровочно/1Я
35
го газа применяют аргон под давлением 0,1 атм (пд 6 105см) , угол у выбирают равным ,;а соотносчение интенсивностей зондирующих излучений Н)
а
40 «J.
равным 0,1. Сечение рассеяния - . т cat жЧ1п аргона для излучения с длиной волны X 6,503 мкм при 90° равно 0,132-10-28 ц. Тогда, при соотношении интенсивностей рассе,(2) янных излучений равном, например, Лш / 1,5 в частотном диапазоне можно по формуле 14 ) рассчитать величины искомого параметра: п -1 1 с О ,132 -6 см:: . ,l-l,b- 7,13.10-26 см2-0, ёЗ-10см-5. На фиг.2 приведено устройство, с помощью которого может быть реализован данный способ. Устройство содержит источник 1 монохроматического зондирующего излучения (лазер ) с возможностью перестройки частоты или сменный, вакуумную камеру 2 с окнами 3, прозрачными для зондирования и рассеянных излучений, генератор 4 РЭП, баллон 5С нейтргшьным калибровочным газом, измеритель 6 интенсивности зондирующего излучения, установка 7 для определения параметров f(V), МН01Х)канальный запоминакмций осциллограф 8.
Устройство работает следующим об разом.
С помощью лазера 1 производит зондирование РЭП, при этом синхроимпульс от лазера 1, соответствующий началу зондирования, одновременно подают на запуск установки 7 и временной развертки осциллографа 8. Регистрируют на осциллографе 8 сигнал от измерителя б, соответствующий значению и сигналы с установки-7, соответствующие значениям параметров, необходимых для расчета 9/ , а также значению Э - (для j-ro канала установки 1), соответствуюсцего частоте w, , выбран(0 (2}
ной в пределах - и для зондирования газа. При выборе uij учитывают возможности источника зондирования, параметры калибровочного газа, характеристики оптических элементов и т.д. Диапазон рассеяния u) определяют предварительно. Наполняют камеру 2 газом до фиксированного давления, соответствующего выбранному значению п, меняют или перестраивают на выбранную частоту jo: лазера 1, учитывая при этом, что направление и сечение зондирующего луча должны совпадать с таковыми на первом этапе зондирования, расположение всех остальных элементов устройства остается неизменным. Производят зондирование газа и регистрируют сигналы, соответствующие ;)fj. и 3 ff, таким же образом, как и напервом этапе зондирования. По определенным значениям параметров рассчитывают искомую величину Пе
Способ обеспечивает возможность определения локальных значений плотности электронов в РЭП одновременно с определением параметров распределения электронов в пучке по направлениям и модулям скоростей.
Сохранение основных достоинйтв прототипа - максимальновозможного временного и пространственного разрешения и возможности относительных измерений рассеянного излучения - обеспечивает приемную точность измерений искомого параметра.
Предлагаекий способ позволит более полно исследовать сильноточные релятивистские электронные пучки. 0 .
Формула изобретения
Способ измерения плотности элек5 тронов в пучке, заключающийся в последовательном зондировании исследуемого пучка и нейтрального газа с известным сечением рассеяния и концентрацией потоком монохроматического
0 электромагнитного излучения с сохранением геометрии рассеяния и определении отношений интенсивностей.зондирующего и рассеянного излучений в зондируемых объектах, отличаю5 Щ и и с я тем, что, с целью расширения области применения способа за счет возможности исследования релятивистских электронных пучков, измеряют среднюю энергию электронов пучка, их
температуру, среднее значение угла разлета электронов к оси исследуемого пучка, дисперсию поперечной скорости электронов пучка, а, также частотный интервал спектра рассеяния на исследуемом электронном пучке, в ко тором интенсивность рассеянного излучения составляет не менее 10% максимальной интенсивности, зондирование газа осуществляют на частоте, лежащей внутри этого частотного интервала,
а определение отношений интенсивностей излучений осуществляют в частотном интервале, включающем частоту /зондирования газа и принадлежащем ранее измеренному интервгшу частот.
. . Источники информации, Ьринятые во внимание при. экспертизе
Мир, 1971, с. 372.
ff
/ .
