Способ измерения параметров электронного пучка или плазмы

 

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.

(19) (Н) СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5Н а 01 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

9 1

М

«

В «

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 2863024/18-25 (22) 03.01.80 (46) 07.08.83 Бюл. 9 29

;(72) В.A.Æóðàâëåâ, В.Е.Музалевский, В.М.Сысак и Г,Д.Петров (53) 533.9(088.8) (56) 1. Л.Н.Пятницкий. Лазерная диагностика плазмы. Атомиздат, М., 1976, с ° 68.

2. О.Theimer, N.Hicks . Depolarization of Zight Scatered by à Relotivistic Plasma The Physics of Fluids v.11, р. 1046, Р 5, 1968 (прототип).

1 (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ИЛИ ПЛАЗМЫ по поляриэационным характеристикам неколлективно рассеянного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскоголя- ризованным электромагнитным излучением с последующей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью определения параметров распределения электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском пучке или движущейся с ре-. лятивистской скоростью плазме „выбира" ют в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров, в каж" дом из выбранных интервалов измеряют угол между направлением максимальной поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический вектор падающей и волновой векторрассеянной волн.

С.

895200

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при исследовании плазмы, в ядерной физике, в частности при решении проблемы ущ авляемого термоядерного синтеза, при разработке кол- 5 ,лективных методов ускорения ионов, генерации волн СВЧ и т.д.

Известен метод определения параметров плазмы или электронного пуч" ка путем исследования спектрального состава рассеянного электромагнитного излучения от зондирующего источника (метод томсоновского рассеяния), позволяющий получить количественные результаты (1). 15

В методе используется прядя зависимость доплеровского уширения спектра рассеяния от температуры исследуемого объекта. Однако метод применим только для ниэкотемпературной плазмы и нерелятивистских пучков или для максвелловской изотропной (в том числе релятивистской) плазмы, так как в противном случае величина уширения не может быть определена однозначно. 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 ЗО поляриэационным характеристиками неколлективно рассеяного излучения, включающий зондирование объекта исследования монохроматическим плоскополяризованным электромагнитным из- 35 лучением с последующей математической обработкой известных эависимос" тей относительно измеряемых параметров, (2) .

Недостатком известного способа яв-4р ляется то, что он применим только для изотопной плазмы.

Другим недостатком является oro информативная ограниченность: за исключением одного параметра - темпе-45 ратуры, данным способом невозможно определение в объекте никаких других параметров.

Целью изобретения является определение параметров распределения .Электронов по направлениям и модулям скоростей в сильноточном релятивистском электронном пучке (РЭП) или s движущейся с релятивистской скоростью плазме.

Поставленная цель достигается тем, 5 что в способе измерения параметров электронного пучка или плазмы по поляризационным .характеристикам неколлективно рассеянного излучения, вклю" чающем зондирование объекта исследо- .60 вания монохроматическим плоскополяриэованным электромагнитным излучением с последузхцей математической обработкой известных зависимостей относительно измеряемых параметров, выби-у рают в спектре рассеяния частотные интервалы, число которых не меньше числа определяемых параметров в каждом из выбранных интервалов измеряют

УГОЛ МЕЖДУ НаПРаВЛЕНИЕМ McLKCHMcLJIbHOA поляризации рассеянного излучения и плоскостью, содержащей электрический вектор падакщей и волновой вектор рассеяной волны.;;

Суть способа заключается в следукщем. Зондируют изучаемый объект мою ! (> гас нохроматическим ц (" = плоскопоь„

1 ляриэованным излучением определяют направление электрического вектора Е1 зондирующего излучения e41g выбирают угол для регистрации рассеянного излучения 8; получают раз- * вертку спектра рассеянного излучения (ц „- ц „ ) вьщеляют спектральные (2 (2) интервалй цш. в диапазоне(в 2) -мР) )

3 min mar в каждом выделенном ийтервале измеряют угол р между направлением максимальной поляризации и плоскостью f y полученные значения а подставляют в систему уравнений

1

)Ь -—

)-г и решают относительно искомых параметров.

7 ; i - 1, 2, 3, 4 — расчетные зна3 чесания интенсивностей рассеянного под углом 8 излучения в о спектральном интервале d си, определяемые из (2)

1 (2 ) р17 {> Ч) gw g (Ч)f « о (2) " (w - йы )

l1 j2

2 ( где Э, (и,Ч) - интенсивность зондирующего излучения, объем рассеяния, (2) . концентрация электронов ° w = безМ

4)

1 размерная частота рассеянного излу4В чения, б (Ч ) — зависящее от скорости сечение рассеяния на одиночном электроне, Е{Х1,Х2,,» Х,;9) -. функция распределения электронов по скоростям, Х1, Х2, -- Хт, - .Подлежащие .Определенйю йараметры функции распределения, аргумент С" — учитывает изменение частоты в каждом акте рассеяния, интегрирование ведется по всему пространству скоростей,Ч,Ч= V) — скорость и модуль скорости электронов, причем л л

8„"-К„; V; 8 =К; Ч

2 2

895200

Сечение рассеяния 6 (Ч) (1-V )(1- Vcos 8„) (4-cos9 ) i=7,2,3,4

I где го - классический радиус электрона. (О (м c *(

ЮМ соз2у Мп2 у Sin 2с(,„

»

-Sin2y cos 2у cos 2g„

20 (Ь) 25

4 „=соз2 у (7) f =-Sin2j

= Sin2g

" 3

f s =со92у

«4 е-соз2g

«2

f „=-соз2). «2 (= sin2y "4 „=-Sin2y ф 30 где угол г определяется выражением е у yî

f(Ф,Т;У )"-акр - — -,р

" й-Ч ) -v" о

«с((Ч - Vsin.ф), 55 где у перпендикулярная к оси РЭП 60 составляющая скорости; п)в- масс.а электрона.

Определению подлежат параметры

Фг Т, Уо. Для этого подставляют Функцию распределения в (2), находят.яв

Ф

Ч sin 8-cos 8 -сов 9 +2соъе cos8 созе

1 1 35 (сов 8- V(cos 8 icos e )

1 2

В задачах диагностики РЭП вид функ- ., ции распределения зависит от условий получения и транспортирования пучка.

В каждом конкретном случае задают 40 вид Функции распределения и вид функции распределения и выбирают в ней в-подлежащих определению параметров, связанных с разбросом электронов по модулям, или по модулям и направле- 45 ниям скоростей.

Например, для РЗП, в котором все электроны имеют одинаковый угол разлета Ф к оси пучка, гауссовское (с температурой Т) распределение по 5() модулю скорости и среднее значение скорости У, функция распределения будет иметь вид ную зависимость интенсивностей 3 . .от параметров ф, T.i V подставляют Э . ( в (1) и получают систему уравнений

Д.= ".") (ф,т,ч ) где слева стоят измеренные значения

Углов p i а справа - найденные иэ (1 — 7). Аналогично поступают и для определения параметров плазмы, движущейся с релятивистской скоростью, На фиг. 1 — 3 иэображенЫ векторные диаграммы используемых при измерениях полей излучения на фиг. 4 изображено устройство, с помощью ко.торого реализуется данный способ.

Устройство содержит лазер 1 для генерации монохроматического эондирукщего излучения под углом 9 к оси

1 пучка; поляроид 2 для поляризации зондирующего излучения под углом о( относительно нормали к плоскости

1 рассеяния (плоскости fl ) (см. фиг.1) t вакуумную камеру 3 с окнами 4, прозрачными для зондирующего и рассеянного излучений; генератор РЭП 5 объектив 6, оптическая ось которого составляет угол 9 с направлением зондирования (для выделения пучка рассеянного под углом 8 излучения)i полупрозрачную пластинку 7 для отражения части рассеянного излучения в опорный фотоприемник 8; отградуированный электрооптический элемент 9,для поворота плоскости поляризации рассеянного излучения; генератор 10 пилообрав» ного напряжения для управления элект- рооптическим элементом 9 поляроид

11; спектрограф 12 для разделения в пространстве излучения с различными длинами волн диафрагмы 13 для вЦде ления в спектре рассеянного излучения частотные интервалы 1ш.у световоды 14 для передачи рас3 сеянного излучения в . выделенных частотных интервалах ды на соот1 ветствующие фотоприемники 1 5;. мно. гоканальный запоминающий осциллограф

16 для записи сигналов с фотоприемников 8 и 15.

Устройство работает следующим образом.

Выставляют ось поляризации поляроида 2 под углом о(,, к нормали плоскости рассеяния; выставляют ось поляризации поляроида 11 под углом с(2»

=archy(cos8tg6,) к нормали плоскости рассеяния (см. фиг. 1) с помощью лазера 1 производят зондирование электронного пучка импульсом монохромптического излучения с частотой и/1 синхроимпульс от лазера 1, соответствующий началу зондирования, подают на запуск генератора 10 пилообразного напряжения и на запуск временной развертки осциллографа 16) из рассеянного под углом 8 излучения при JIoMolILH объектива 6 выделяют

895200 ф пучок, часть излучения пучка, отраженную полупрозрачной пластиной 7, подают в опорный приемник 8, сигнал с которого (соответствующий интенсивности рассеянного н опорный приемник

8 излучения) регистрируют с помощью осциллографа 16) другая часть выделенного объективом 6 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 приводит к модуляции интенсивности проходящего через поляроид )1 излуче- 15 ния; затем при помощи спектрографа

12 и диафрагм 13 выделяют составляющие этого излучения в частотных интервалах; вьщеленные составляющие по световодам 14 поступают на соотнетствукщие фотоприемники 15> сигналы с фотоприемников 15, пропорциональные изменению интенсивности излучений в каждом частотном интервале, записывают на экране осциллографа 16; 2д строят график изменения но времени отношения интенсивности излучения в каждом частотном интервале dw к интенсивности опорного сигнала по графику определяют момент времени от начала развертки, в который это .отношение максимально; определяют .величину напряжения U на элект3 рооптическом элементе 9 в момент 1 () 3

t 35

) Т max

И где T„время нарастания напряжения на генераторе 10 от 0 до0„, „(T„ должно быть мень| |е времени имйульса зондирования) ° Максимальное напряжение U должно обеспечивать понорот

ITIOUS( плоскости поляризации излучения не менее, чем на 90 о)i определяют угол поворота плоскости поляризации рассеянного излучения в частотном интервале dw)g н момент времени где д - искомый угол поворота, K„коэффициент пропорциональности между углом понорота и приложенным к электрооптическому элементу 9 напряжением от генератора 10 (берут из градуировочного графика на электрооптический элемент}; подставляют полученные значения р в систему уран4 нвний (1), которую решают с учетом (2 — 7) относительно искомых параметров .

Способ обеспечивает воэможность одновременного измерения всех определяемых параметрон н широком диапазоне исключает необходимость спектральной калибровки фотоприемников и связанные с этим погрешности; обеспечивает спектральный метод томсононского рассеяния (дальнейшим разнитием которого является) максимально нозможное временное и пространственное разрешение.

Составитель И.Первенцев

Редактор П.Горъкова Техред Ж, Кастелевич Корректор М.Двмчик

Р

Закаэ 8140/4 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4