WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 6 07;10;12 О панорамных измерениях концентрации электронных пучков методом томпсоновского рассеяния лазерного излучения © А.П. Соловьев, О.В. Зюрюкина, К.И. Свинолупов Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете, 410071 Саратов, Россия (Поступило в Редакцию 14 сентября 1997 г. В окончательной редакции 13 марта 1998 г.) Обсуждается возможность использования панорамного приемника с телевизионной системой регистрации сигнала в установке для наблюдения томпсоновского рассеяния лазерного излучения на нерелятивистском электронном потоке. Приведены полученные панорамы томпсоновского и рэлеевского рассеяния и свечения электронного пучка. Даны оценки чувствительности и пространственного разрешения установки. Проведено сопоставление результатов панорамного и одноточечного методов исследования. Обсуждены возможности расширения диапазона метода томпсоновского рассеяния для измерения распределения концентрации в нерелятивистских электронных пучках.

Введение внутри диагностической камеры, ограничиваемая апертурной диафрагмой, на осциллографе анализировалась Методика экспериментального исследования парамеяркость отдельной строки телевизионного кадра. Выбор тров электронных и плазменных потоков на основе строки и ее определенной области обеспечивался ситомпсоновского рассеяния лазерного излучения обладастемой синхронизации. Для юстировки установки, как и ет большими возможностями, обеспечивая локальность в [2], в объектив устанавливалась диафрагма Д2, которая и не внося искажений в исследуемый поток. Большой убиралась при проведении измерений. Изображение диаинтерес представляют панорамные исследования струкфрагмы Д2 проецировалось на волоконном блоке ЭОП и туры электронных пучков и плазмы, когда распределение использовалось затем в качестве репера для определения сигналов в пространстве снимается одновременно, а центра области зондирования — точки пересечения осей не от точки к точке, причем число контролируемых в лазерного и электронного лучей при выборе соответпространстве точек зависит от числа каналов наблюствующей строки телевизионного кадра и ее области.

дения. Однако проведение исследований сложно из-за Разрешающую способность R приемной системы в малой величины сигнала рассеяния и необходимости пространстве наблюдения определял второй ЭОП, с выделения его на фоне значительных помех. Трудноучетом линейного увеличения изображения объектисти особенно возрастают при исследованиях нерелятивом M = 0.6 и первым ЭОП M1 = 0.63, а также вистских электронных пучков, концентрация которых уменьшения разрешения в 2 раз при прохождении порядка 1010 cm-3 и ниже. Известны реализации паночерез пару волоконно-оптических дисков двух ЭОП.

рамных измерений на плазме с концентрацией элекЕе экспериментальная проверка по стандартной мере тронов 1013-1016 cm-3 [1]. В предлагаемой работе составила R = 5mm-1 и совпала с теоретической оценена возможность панорамного исследования параоценкой. Объем пространственного разрешения V, кометров электронных пучков по томпсоновскому расторый с небольшим приближением можно представить сеянию излучения рубинового лазера в эксперименв виде цилиндра с длиной и сечением, определяемым тальной установке, подробно описанной в работе [2], диаметром d луча лазера в области наблюдения и с использованием телевизионной системы регистрации линейным разрешением приемной системы, составил сигнала.

V 4 · 10-2 mm3.

= Наименее чувствительным элементом приемной сиНовые элементы установки стемы является суперкремникон. Рабочая освещенность фотокатода трубок типа ЛИ-702 составляет и ее параметры = 5 · 10-3lx [3], и в каждый элемент изображения Отличия новой установки от представленной в [2] на фотокатоде, соответствующий одной ячейке матрицы связаны с осуществлением панорамного приема изме- мишени суперкремникона диаметром 30 µm, за период ряемых сигналов. Приемная система включала в себя кадровой развертки 40 ms должна поступить энергия объектив вывода рассеянного излучения, усилитель яр- излучения Es 10-16 J на длине волны 550 nm примерно = кости из двух последовательно соединенных электронно- 103 фотонов. Тогда, приравняв энергию Es к соответоптических преобразователей (ЭОП), видеокамеру на ствующей энергии томпсоновского рассеяния, получаем основе суперкремникона ЛИ-702 и регистрирующее выражение для значения электронной концентрации n1, устройство — телевизионный приемник и осциллограф при котором сигнал томпсоновского рассеяния лазерноС8-9А. На экране телевизора просматривалась область го излучения создает на фотокатоде суперкремникона О панорамных измерениях концентрации электронных пучков методом томпсоновского рассеяния... рабочую освещенность n1 = EsS(E0K1K2KV1)-1, где — cечение томпсоновского рассеяния; E0 —энергия в импульсе лазерного излучения; S — площадь сечения луча лазера в зондируемой области; K1,2 = 102 — коэффициенты усиления яркости первого и второго ЭОП; K = 0.3 — полный коэффициент пропускания всех оптических элементов приемной системы на длине волны томпсоновского рассеяния = 630 nm;

= 2.6 · 10-2 cr — телесный угол наблюдения; V1 — объем, из которого томпсоновское рассеяние попадает в одну ячейку и который аналогично объему разрешения V с небольшим приближением можно представить в виде цилиндра с длиной, равной диаметру d луча лазера в области наблюдения, и сечением, определяемым размеРис. 1. Панорамы сигналов свечения пучка Ne ( ) и томпсором ячейки суперкремникона Lc с учетом коэффициентов новского рассеяния HT (•). Сплошная линия — аппроксимация увеличения оптического изображения двух электронноHT по функции Гаусса (HTG).

оптических преобразователей M1 = M2 и объектива вывода рассеянного излучения.

Для указанных выше параметров установки при энергии лазера E0 = 30 J значение n1 примерно равно сопоставление результатов измерений при панорамном 109 cm-3, а на входе первого ЭОП рассеянная из объема и точечном [2] способах регистрации сигналов. Для попространственного разрешения энергия соответствует лучения панорамы томпсоновского рассеяния отдельно примерно одному кванту. Поскольку квантовый выход регистрировалось распределение свечения по сечению фотокатода ЭОП в несколько раз меньше единицы пучка. На рис. 1 представлены усредненные за серию из ( 0.2), то один фотоэлектрон с фотокатода первого = 70 вспышек панорамы сигналов томпсоновского рассеяЭОП создает в соответствующей области фотокатода ния HT и свечения электронного пучка Ne при энергии суперкремникона в период кадровой развертки освещен- лазера 30 J и ориентации строк телевизионного кадра ность, превышающую в несколько раз рабочую. Следовапоперек изображения электронного пучка и давлении тельно, чувствительность приемной системы позволяет в диагностической камере 2.6 · 10-5 Pa. В отличие регистрировать отдельные кванты света.

от [2] кривые свечения и томпсоновского рассеяния, Поскольку сигнал томпсоновского рассеяния мал и нормированные на свои максимальные значения, не соносит вероятностный характер, то для получения достовпадают. Это связано с наличием распределения энергии верных данных необходимо делать серии измерений, прив сечении лазерного луча, поскольку лазерный луч не чем чем меньше электронная концентрация, тем длиннее серия. В реальной экспериментальной установке наличие оптических шумов требует дополнительного увеличения числа измерений. Оптические шумы складываются из свечения газа в лампе под действием электронного пучка Ne, свечения пушки, свечения элементов приемного тракта под их действием и лазерной помехи NL [2].

Последняя была меньше свечения в десятки раз и в 4 раза меньше томпсоновского сигнала в точке максимального значения электронной концентрации, которая составляла примерно 8 · 109 cm-3. Исследование оптических шумов проводилось на основании анализа панорамы на телеэкране и осциллограмм свечения в области зондирования, что нагладно и удобно при телевизионной регистрации.

Экспериментальные результаты и их обсуждение Рис. 2. Распределение величины рэлеевского сигнала HR Проводились панорамные измерения томпсоновского по сечению лазерного луча. Кружки — экспериментальные и рэлеевского рассеяния излучения лазера на нерелятиданные, сплошная кривая — аппроксимация HR по функции вистском электронном пучке и воздухе соответственно и Гаусса (HRG).

6 Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 82 А.П. Соловьев, О.В. Зюрюкина, К.И. Свинолупов области наблюдения, составляющей 8 mm. Однако на осциллограмме свечения, представленной на рис. 4, можно видеть ярко выраженный пик, который быстро спадает к центру области зондирования, т. е. к точке пересечения осей зондирующего лазера и электронного пучка. Этот пик связан, как выяснилось из наблюдений на экране телевизора, со свечением катода, которое подсвечивало нож первой экранирующей диафрагмы канала вывода рассеянного излучения. В результате в области зондирования (около 3 mm) имелось небольшое увеличение общего шумового фона (справа на рис. 5). Распределение свечения на рис. 5 (кривая 1) получено при усреднении по 50 осциллограммам. Здесь же приведена панорама сигнала томпсоновского рассеяния HT (кривая 2), имеющего хорошо выраженный пик в центре области Рис. 3. Распределение нормированного томпсоновского сигназондирования, составляющий треть от сигнала свечения ла HTR по сечению пучка: — экспериментально полученные при давлении в диагностической камере 2.9 · 10-5 Pa.

данные свечения пучка Ne.

перемещался относительно электронного пучка вместе с точкой наблюдения, как в [2], а диаметр лазерного луча примерно равен диаметру электронного пучка. На рис. приведено измеренное по одной вспышке лазера при давлении в камере 266 GPa распределение величины рэлеевского сигнала HR по сечению лазерного луча.

Оно отражает распределение энергии зондирующего излучения по сечению электронного пучка при снятии панорамы томпсоновского рассеяния. Поэтому полученный контур распределения томпсоновского сигнала уже, чем контур свечения. Если полученное распреде ление томпсоновского сигнала нормировать на распределение рэлеевского рассеяния, то полученная кривая Рис. 4. Осциллограмма свечения на оси пучка при ориентации HTR = {HTG} {HRG}, как видно из рис. 3, довольно строк телевизионного кадра вдоль оси изображения пучка; 0 — хорошо совпадает с распределением свечения, как и центр области зондирования.

в работе [2]. Здесь {HTG} и {HRG} представляют собой аппроксимированные функцией Гаусса экспериментально полученные распределения томпсоновского {HT } и рэлеевского {HR} рассеяния. Отметим, что в реализованной схеме с примерно равными диаметрами электронного пучка и лазерного луча из-за уменьшения энергии последнего панорама томпсоновского рассеяния на краях пучка получалась при усреднении за большую серию измерений (порядка 70), хотя для центральной области было достаточно 35 вспышек лазера.

Изменение энергии лазерного луча при снятии панорамы томпсоновского рассеяния по сечению электронного пучка можно исключить, если строку телевизионного кадра повернуть вдоль оси лазерного луча, что легко осуществлялось поворотом одного конца оптоволоконного жгута, передающего изображение с ЭОП на суперкремникон. Поскольку в данной конструкции диагностической камеры электронный пучок, лазерный луч и направление наблюдения лежат в одной плоскости, то строка телевизионного кадра также ориентирована вдоль Рис. 5. Панорамы сигналов свечения Ne (1) и томпсоновского оси изображения пучка. При этом свечение пучка должно рассеяния HT (2) при ориентации строк кадра вдоль оси быть максимальным и практически постоянным во всей изображения пучка; 0 — центр области зондирования.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. О панорамных измерениях концентрации электронных пучков методом томпсоновского рассеяния... Сравнение измерений при панорамном и одноканаль- помехи. Свечение же пучка уменьшается пропорциональном [2] приеме показало, что отношение сигнала томп- но уменьшению концентрации n и не ухудшает отношесоновского рассеяния к свечению при одноканальном ние сигнала HT к полной помехе. Интерференционные приеме в несколько раз выше. Это объясняется увеличе- фильтры в приемной системе уменьшали лазерную помением времени экспозиции сигналов свечения на мишени ху примерно в 105 раз на длине волны рассеянного света, суперкремникона. При панорамном приеме это время отстроенной на 60 nm от длины волны зондирующего было равно периоду кадровой развертки, т. е. 40 ms, лазера при пропускании полезного сигнала 40%. Как тогда как при использовании одноканальной методи- следует из [5], полихроматор на трех голографических ки и фотоэлектронного устройства (ФЭУ) в качестве решетках, основанный на принципе вариоиллюминатора, оптического приемника [2] времени экспозиции было обеспечивал подавление в 1010 раз на длине волны зон = 10 ms. Свечение в случае панорамного приемника дирующего рубинового лазера, но коэффициент пропусможно существенно уменьшить реальными путями, если, кания полихроматора в диапазоне 650–690 nm был ниже например, на входе ЭОП установить оптический затвор, 25%. Использование в анализируемой экспериментальвключающийся на время действия лазерного импульса, ной установке аналогичного полихроматора позволило или на время отсутствия импульса выключать питание бы на несколько порядков снизить лазерную помеху, т. е.

одного из ЭОП, или изменить электронную схему пи- существенно увеличить отношение сигнала к лазерной тания суперкремникона так, чтобы в области строки помехе и практически исключить ее влияние.

(кадра), где находится изображение исследуемой части Проведенные нами оценки, экспериментальные точечпучка, непосредственно перед вспышкой лазера была ные и панорамные наблюдения томпсоновского рассеяпроведена очистка мишени суперкремникона. Изменение ния на нерелятивистском электронном пучке с конценвремени экспозиции свечения от 40 до 1... 2ms, т. е. трацией порядка 8 · 109 cm-3, а также успехи в создании до длительности импульса лазера, позволяет увеличить мощных лазеров, высокочувствительных приемников и отношение сигнала томпсоновского рассеяния к свече- схем подавления лазерной помехи [5] позволяют надеятьнию примерно в 20 раз и уменьшить необходимую серию ся, что уникальные возможности томпсоновского рассеизмерений для получения достоверных данных. яния станут интересными не только в исследовательских Продвижение на основе томпсоновского рассея- целях, но и для измерения параметров реальных пучков.

ния в область более низких концентраций порядка Работа выполнена при частичной поддержке Роскоми109... 108 cm-3 представляет, как нам кажется, довольно тета РФ по высшему образованию (грант № ГР-72-96 и сложную задачу вообще и, в частности, требует сепрограмма ”Физика лазеров и лазерные системы” МЛЦ рьезных изменений используемой авторами до настояМГУ).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.