Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 9 02;10;12 Измерение поперечных скоростей электронов сильноточного релятивистского пучка микросекундной длительности в сильном магнитном поле й О.Т. Лоза, И.Е. Иванов Институт общей физики РАН, 119991 Москва, Россия e-mail: www.gpi.ru (Поступило в Редакцию 4 июня 2002 г. В окончательной редакции 5 ноября 2002 г.) Создан измеритель питч-углов электронных траекторий в сильном магнитном поле для пучков с большой плотностью тока и длительностью импульса. Измеритель обладает разрешением по времени и по углу.

Проведены измерения питч-углов электронных траекторий пучка релятивистских электронов с энергией 500 keV, плотностью тока 1kA/cm2 и неизменным в течение 1 s профилем плотности тока. Предложенный авторами ранее диод позволяет формировать сильноточный электронный пучок с питч-углами, постоянными по времени и сечению.

Введение вырезанной из пучка. Эти (контактные) методы основаны на применении или сравнительно длинных и больших Сильноточные релятивистские электронные пучки по диаметру цилиндрических каналов [3], известных (РЭП) Ч это потоки электронов с энергией 106 eV и также как ДколодцыУ, или относительно коротких вдоль плотностью электронного тока 103-104 A/cm2. Мощоси и небольших по диаметру отверстий [4] (pin-holes).

ность РЭП, как правило, превышает 109 W, импульс тока Общим недостатком всех контактных методов физики длится от нескольких наносекунд до нескольких микросильноточных РЭП микросекундной длительности явсекунд. Высокие мощности РЭП делают их привлекаляется образование паразитной плазмы на элементах тельными для различных практических приложений, но датчика. Порог образования плазмы под действием РЭП малые длительности импульсов определяют трудности 1J/cm2, поэтому плазма проявляется на любом колпри диагностике их параметров.

екторе через несколько десятков наносекунд, имеет Обычно сильноточные РЭП формируются и распроплотность 1012-1013 сm-3 и распространяется вдоль систраняются в магнитных поля с индукцией 1T и ловых линий магнитного поля навстречу электронному более, где электрон движется по спиралевидной трапучку со скоростью более 107 cm/s [5]. Эффект влияния ектории, а его скорость направлена под некоторым плазмы такой плотности на угловые характеристики углом к магнитному полю. Угол между продольной, электронов РЭП измеряется десятками градусов [4].

т. е. вдоль магнитного поля, составляющей скорости Таким образом, анализатор с диафрагмой, вырезающей электрона vl и его поперечной составляющей vt получил часть пучка для последующей диагностики, может сам название питч-угла (pitch-angle) tg = vt/vl.

существенным образом изменять измеряемые им параСильноточные РЭП генерируются, как правило, с пометры.

мощью взрывоэмиссионных катодов. При длительностях Процесс образования плазмы замедляется при уменьимпульса тока порядка микросекунд поверхность плазшении плотности тока РЭП. Так как внешее магнитное мы, эмиттирующая электроны, отдаляется от края катополе B намного превышает собственное магнитное поле да на несколько сантиметров [1] и характеристики элекэлектронного пучка, уменьшение плотности тока доститронных траекторий в сильном магнитном поле в нагается при уменьшении ведущего магнитного поля. К сочале и конце импульса могут существенно отличаться.

жалению, собственное электростатическое поле сильноПроблема измерения питч-угла траекторий электронов точного РЭП сильно ограничивает применение данного РЭП микросекундной длительности, сформированного подхода. Если электронный пучок имеет круглое сечение на взрывоэмиссионном катоде, до сих пор недостаточно и радиус Rb, то B R2 = const вдоль его траектории.

изучена и трудности возрастают по мере уменьшения b Электростатическое поле на поверхности пучка измеряемого угла.

E R-1, т. е. E B. В скрещенных электрическом E Существует множество способов измерения питч-угb и магнитном B полях электрон дрейфует со скоролов в сильноточных электронных пучках. Диамагнитный стью vdr = cE/B, т. е. vdr B-1/2. Дрейфовая скорость зонд [2] дает информацию только о среднем значении питч-угла электронов в данный момент времени. О ха- электрона vdr складывается с его осцилляторной скорорактере функции распределения электронов по углам стью vt, в результате чего питч-угол = arctg(vt/vl) позволяют судить способы, основанные на исследовании периодически (с циклотронной частотой) изменяеттраекторий движения электронов небольшой фракции, ся в пределах: tg (vt vdr)/vl tg( ). ДОт102 О.Т. Лоза, И.Е. Иванов носительная ошибкаУ измерения питч-угла / к диафрагме равен. Питч-угол электрона определяется vdr/vt B-1/2/B1/2 1/B будет тем больше, чем по расстоянию r от места его регистрации на экране до слабее магнитное поле у анализатора, и может вообще оси. Регистрация электронов может быть интегральной лишить смысла процесс измерения. Например, в гиро- за время импульса (фотографирование свечения тонкой троне [6] (радиус РЭП Rb = 9 mm, энергия электронов лавсановой пленки [4] или пластины из ZnS [7]) или 350 keV, ток I = 6 kA, магнитное поле 2 Т) был измерен с разрешением по времени (миниатюрный секционироугол 40. Нетрудно оценить, что питч-угол перио- ванный коллектор, состоящий из нескольких кольцевых дически меняется в пределах 20%. При ослаблении электродов [8]).

магнитного поля всего в пять раз разброс электронов по Для того чтобы расстояние r от места осаждения углам / 1/B ДоказываетсяУ настолько большим, электрона на экран до оси однозначно определялось что электронный пучок ДоказываетсяУ непригодным для его питч-углом, расстояне L от диафрагмы до экрана использования. должно быть существенно меньше пространственного При проведении данной работы мы ставили перед периода (шага) H вращения электрона в магнитном собой две задачи. Во-первых, найти метод измерения как поле L H. Тогда электрон движется в анализаторе можно меньших питч-углов электронных траекторий, почти по прямолинейной траектории и r L tg. Для = точнее, распределения электронных траекторий по питч- случая не очень больших углов углам. Искомый метод должен обладать высоким углоH vl c 2-вым разрешением при измерениях в сильном магнитном L = 2 H H поле и противодействовать влиянию паразитной плазмы.

Второй задачей была проверка того факта, что РЭП 1.7 10-3[T m] 2-1. (1) микросекундной длительности, полученный с помощью B[T] взрывоэмиссионного катода, имеет одинаковые угловые Здесь H Ч циклотронная частота нерелятивистского характеристики электронных траекторий в начале и электрона, Ч релятивистский фактор, c Чcкорость в конце импульса.

света, B Ч индукция внешнего магнитного поля. Для = 2 и B = 1T условие (1) выглядит как L < 3mm Принцип действия и устройство и электрон, имеющий питч-угол = 10, должен быть зарегистрирован на расстоянии r 0.5 mm от оси, что анализатора питч-углов = очень затруднительно. Таким образом, наличие магнитПредлагаемый в настоящей работе анализатор ис- ного поля в анализаторе с малым отверстием ограничипользует метод малого отверстия. Принцип действия вает длину прибора и существенно влияет на точность анализатора, основанного на методе малого отверстия, измерений.

показан на рис. 1. Электрон 1 через отверствие диа- Этого ограничения можно избежать, если в области фрагмы 2 влетает со скоростью v в измерительную входной диафрагмы анализатора магнитное поле быстро камеру и оседает на экране 3 на некотором расстоянии r (на расстоянии z ) спадает до нуля. Если z достаточно от оси отверстия. Расстояние от диафрагмы до экрана мало, то электрон сохраняет информацию о питч-угле равно L, угол между скоростью электрона и нормалью в магнитном поле и продолжает движение внутри анализатора по прямолинейной траектории. В этом случае длина анализатора может быть сделана достаточно большой для достижения желаемого разрешения.

Желаемое распределение магнитного поля получается, если к неоднородному в пространстве полю Bдобавляется поле, компенсирующее его в анализаторе.

На рис. 2 представлена конусная поверхность, радиус которой R изменяеся вдоль длины z по закону: R = z tg.

Пусть на поверхности конуса текут круговые токи с некоторым распределением, создающие внутри конуса магнитное поле, противоположное внешнему полю Bпо направлению и равное ему по величине. Оценим магнитное поле слева от конуса, считая для простоты, что отверстие диафрагмы отсутствует. Тонкий круговой виток радиуса R с током I, имеющий координату z, создает на оси в точке с координатой z магнитное поле (коэффициент, зависящий от конкретной системы мер, опущен) Рис. 1. Анализатор углового спектра. 1 Ч электрон, 2 Ч I RB(z, z ) =.

диафрагма, 3 Чэкран, 4 Ч ось аксиальной симметрии.

(R2 +(z - z )2)3/Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Измерение поперечных скоростей электронов сильноточного релятивистского пучка... условие Ч основное поле (оно может быть стационарным) B1 = 0 в области, занятой анализатором. Поле BДбыстроеУ, оно не проникает вовнутрь анализатора, но снаружи достаточно сильно. Суммарное поле B1 + Bпримерно постоянно по длине: существенное усиление поля по пути следования электронов может вызвать их отражение от магнитной пробки, а существенное ослабление Ч влияние собственного заряда пучка. Такое суммарное поле обеспечивает адиабатическое (для сохранения информации о питч-угле) движение электронов до анализатора.

Конфигурация магнитных силовых линий определяется скин-эффектом: силовые линии магнитного поля ДвыталкиваютсяУ из анализатора, внутри его поле отсутствует, а снаружи, где индукция поля остается по-прежнему большой, силовые линии расходятся вдоль конусообразной поверхности анализатора. Таким образом, Рис. 2. Профиль поверхности анализатора (вверху) и распремагнитное поле разводит основную часть электронов деление компенсирующего магнитного поля вдоль оси (внизу).

в разные стороны, только электроны из приосевой области способны проникнуть через диафрагму. Большая часть электронов, движущаяся по силовым линиям, При z = z, т. е. в центре витка, поле B = I/R, а избегает столкновения с поверхностью анализатора, в точке z = предотвращая обильное образование плазмы. Конечно, некоторое количество электронов бомбардирует края I R2 I Rдиафрагмы, но их количество значительно меньше того, B(z, 0) = = (R2 + z )3/2 (R2 +(R ctg )2)3/что могло бы быть в однородном поле. Подчеркнем еще раз, что все это справедливо, если шаг ларморовской I = .

спирали электронов H существенно превышает размер R (1 + ctg2 )3/ z переходной области.

Итак, принцип действия анализатора заключается Для = 20 величина (1 + ctg2 )-3/2 0.04. Пов следующем. Электроны РЭП проникают через диаскольку эти рассуждения справедливы для любого витка фрагму в анализатор под углом к его оси, равным независимо от z, то искомое распределение токов искапитч-углу электронных траекторий в магнитном поле.

жает магнитное поле слева от конуса при z 0 не более В анализаторе, где магнитное поле отсутствует, они чем на 4%: B 0.04 B0 (рис. 2). Длина z переходной распространяются прямолинейно до осаждения на региобласти сопоставима по размеру с отверстием диафрагстратор любого типа, например на сцинтиллятор. Чем мы, расположенной в точке z 0.

выше чувствительность регистратора данного типа, тем Показанный профиль магнитного поля можно создать, больше может быть расстояние от него до диафрагмы используя скин-эффект в быстропеременном поле. Маги с тем большей точностью можно различать питч-угнитное поле складывается из двух: основного поля B1 и лы. Заметим, что именно размер отверстия диафрагмы поля в области анализатора B2 (рис. 3). Единственное определяет количество проникающих через диафрагму электронов и, следовательно, максимально возможное расстояние до регистратора.

Устройство прибора и калибровка Идея устройства анализатора была реализована следующим образом. Корпус анализатора Ч конус, переходящий в цилиндр 50 mm изготовлен из алюминия и меди толщиной до 3 mm. Угол между образующей конуса и осью = 20, расстояние от диафрагмы 1mm до регистратора 60 mm. В качестве регистратора при интегральных по времени импульса измерениях использовался астралон: пленка, изменяющая и фиксирующая свой цвет после осаждения на нее электронов. Чтобы выясРис. 3. Магнитное поле вне анализатора: B1 Ч основное стационарное поле, B2 Ч ДбыстроеУ поле. нить, как свойства электронов изменяются во времени, Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 104 О.Т. Лоза, И.Е. Иванов На рис. 4 показаны значения тока электронов на каждый из 7 коллекторов, т. е. в семи угловых диапазонах.

Эти значения сравниваются с расчетными данными, т. е.

с сигналами, ожидаемыми при рассеянии электронов со строго параллельными магнитному полю скоростями и заданной энергией. Расчет проведен с учетом энергии электронов в данный момент времени, регистрируемой с помощью датчика потенциала катода.

Для обработки сигналов с коллекторов применялся метод наименьших квадратов: экспериментальные значения тока электронов I() аппроксимировались функцией вида () =A sin exp(-2/0 ), где A и 0 Ч нормирующий коэффициент и среднеквадратичный угол рассеяния соответственно.

Рис. 4. Ток электронов I с различными углами. Чрасчет, Можно показать, что для каждого момента времени Х Ч эксперимент.

7 7 -A = kIk k, k=1 k=применялся радиально-секционированный коллекторный датчик типа [8]. Семь коаксиальных кольцевых коллекто- а 0 находится из уравнения ров, распределенных по радиусу, позволяли разрешать 7 7 7 питч-углы электронных траекторий с шагом 2.3.

2 kIk kk - kIkk k = 0.

Калибровка анализатора проводилась потоком элекk=1 k=1 k=1 k=тронов с энергией 500 keV, плотностью тока до 1 kA/cmЗдесь суммирование ведется по всем коллекторам и длительностью импульса 1 s. Электроны распроk = 1,..., 7; k Ч средний угол расположения kстранялись в однородном квазистационарном магнитном поле B1 = 1.1 T. На отрезке длиной 20 cm поле B1 го коллектора, Ik Ч сигнал с k-го коллектора, k = (k) =A sin k exp(-2/0 ).

уменьшалось до нуля (< 0.04 T) в области, где был устаОбработка данных, показанных на рис. 4, позволяет новлен анализатор. На том же отрезке 20 cm ДбыстроеУ сравнить среднеквадратичные углы отклонения 0: для поле нарастало до 0.8 T. При длительности импульса расчета по [9] 0 = 10.6, а для экспериментальных ДбыстрогоУ поля 30 s толщина скин-слоя в меди 0.5 mm.

данных 0 = 11.6 c дисперсией 0.6. Некоторое превыБыли найдены условия, когда подавляющая часть шение экспериментального значения 0 над расчетным измеряемых электронных траекторий имеет питч-углы, может быть связано с наличием небольшого начального не превышающие 2 в течение всей длительности имразброса электронов по углам до рассеяния на фольге.

пульса тока РЭП (на это указывал характер потемнения На рис. 5 представлены зависимости от времени средастралона). В этих условиях проводилась калибровка неквадратичного угла рассеяния 0 электронов в фольге:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам