WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 10 02;10;12 Метод и устройство для невозмущающей диагностики сильноточного пучка нейтральных частиц низкой энергии по электронам фотоионизации © А.С. Артемов Объединенный институт ядерных исследований, 141980 Дубна, Московская область, Россия (Поступило в Редакцию 10 сентября 1997 г.) Предлагаемый метод диагностики основан на измерении импульсного распределения электронов, вылетающих в практически одной плоскости из области фотоионизации с малыми геометрическими размерами и под двумя различными углами относительно оси пучка. Для реализации этого метода на сильноточном пучке нейтральных частиц малой энергии (десятки–сотни килоэлектрон-вольт для атомов водорода или дейтерия) предложено устройство, позволяющее оперативно и невозмущающим образом измерять распределения частиц по импульсу, сечению пучка и в поперечном фазовом пространстве.

Для нагрева плазмы до термоядерных температур и состояния, Pe = 2me( - n). Нетрудно показать, безындукционного поддержания тока в существующих и что при достаточно высоком угловом () и импульсном разрабатываемых токамаках широко используются силь- (Pe/Pe) разрешении двух анализаторов, направленных на фотонную мишень 0 и 0 e/2, характеристики ноточные пучки атомов водорода или дейтерия малой P0/P0 и 0 частиц пучка в области зондирующей энергии (десятки–сотни килоэлектрон-вольт) [1]. Такой пучок с током в десятки ампер и длительностью импуль- мишени определяются по величинам (Pe1, Pe2) и разброса несколько секунд формируется из отдельных элемен- сам (Pe1 > 0, Pe2 > 0) импульсов электронов при соответствующих углах измерения 1 и 2 относительно тарных пучков положительных или отрицательных ионов оси 0Z (0 2 <1

использованием вторичных частиц или фотонов. Один P0 = M0 · [Pe1() + Pe2()]/(me2cos) — средний из возможных вариантов предлагается в данной работе импульс налетающих частиц; = 1 или 2; M0 и и основан на регистрации электронов, рождающихся me — масса нейтральной частицы и электрона соответпри фотоионизации пренебрежимо малой части атомов ственно.

пучка.

Схема устройства для измерения распределений В области малых энергий точность соответствия расчастиц пучка по импульсу P0, (XY)-сечению и в пределений атомов водорода (или дейтерия) и элек(Y, Y )-фазовой плоскости представлена на рисунке, b.

тронов их ионизации на зондирующей корпускулярной Направления и аксептансы анализаторов A1 и A2 выбиили фотонной мишени весьма мала [2]. Тем не менее раются таким образом, чтобы регистрировать фотоэлеквысокая монохроматичность лазерного излучения, фортроны, вылетающие только из сфокусированной области мирующего фотонную мишень, и двухчастичный харакмишени (0) и в близкой к (Y0Z)-медианной плоскости тер распада частиц при рождении электронов на ней (e 1). Сканирование пучка по сечению осущеоткрывают дополнительные возможности диагностики в ствляется смещением линзы (E) с анализаторами вдоль этом случае. На рисунке, a представлена кинематичеоси X при фиксированном пространственном положении ская диаграмма рождения электрона в плоскости YZ зеркала (M), а также единым перемещением всех этих после поглощения фотона нерелятивисткой частицей Aэлементов вдоль оси Y. При контролируемой мощности с импульсом P0. При этом полагается, что ось пучка фотонной мишени (определяющей вероятность фотоиосовпадает с осью канала транспортировки 0 Z. Импульс низации), указанные характеристики пучка восстанавлиэлектрона(Pe) в системе покоя распадающейся частицы ваются с помощью выражений (1) и (2) по измеренным определяется энергией поглощаемого фотона ( ) и распределениям электронов по импульсу в зависимопорогом фотоионизации (n) используемого квантового сти от положения фокуса мишени в (XY)-плоскости.

134 А.С. Артемов оценивается величиной 02 5% [4]. Избирательную фотоионизацию этого состояния можно осуществить, например, с помощью излучения четвертой гармоники Nd+3 : ИАГ лазера с = 4.66 eV [3]. Соответствующее сечение взаимодействия с H(2s)-атомами равно i|2s 7 · 10-18 cm2, а близкий к единице коэффициент фотоионизации в области сфокусированной мишени достигается при ее мощности P 107 E0 · d f, (4) где P и E0 выражены в ваттах и килоэлектрон-вольтах соответственно, d f f · — минимальный поперечный размер области фокусировки мишени в (XY)-плоскости, f — фокусное расстояние линзы [cm], — угловая расходимость излучения лазера [rad].

Для f = 30 cm и 10-3 rad получаем P 6MW.

Данная величина находится в хорошо освоенном диапазоне мощностей импульсной генерации рассматриваемого типа лазера. При использовании анализаторов электронов с 5 · 10-4 rad и Pe/Pe 10-(например, типа Юза–Рожанского), отъюстированных в (YZ)-плоскости в соответствии с соотношением 1 - 2 2 e/6, из выражений (1)–(3) получаем Le 60 cm и следующие оценки точностей измерения Кинематическая диаграмма рождения регистрируемых фото- характеристик пучка:

электронов (a) и схема устройства для невозмущающей диаP0 Pe гностики пучка нейтральных частиц A0 (b).

3 3 · 10-4;

P0 Pe Беспрепятственное прохождение пучка и его невозмуmeE0 Pe щающая диагностика в данном устройстве реализуются Y 0 6 8 · 10-3 rad. (5) M0( - n) Pe при энергиях нейтральных частиц (E0), определяемых выражением Перспективы улучшения приведенных точностей связаны прежде всего с возможностью уменьшения веM0 ( - n) личины Pe/Pe при учете влияния пространственного Le db, (3) me E0 заряда сгустка регистрируемых электронов на пролетном участке до анализатора и внутри него.

где db и Le — поперечный размер пучка в направлении Ток фотоэлектронов, регистрируемых, например, анаоси Y и пролетная база электронов от мишени до лизатором A2 из области фокусировки мишени за время анализатора соответственно.

импульса лазера при e 0.1 rad, оценивается как Используемое для измерений квантовое состояние нейтральных частиц находится из условия его избираIe2 0.2· jo ·02 ·d f ·L f ·( ·e/e) 10-7 A, (6) тельной фотоионизации. Для атомов H0(D0) в наибольшей степени подходит их метастабильное 2s-состояние. где L f · f /D — глубина перетяжки лазерного В отличие от рассмотренного в работе [3] метода диа- излучения в области фокусировки на уровне 10%-го гностики в данном случае оптимальным является мак- увеличения ее поперечного размера над d f, D — симально возможное значение - n. Необходимые диаметр пучка фотонов до линзы.

для измерений средняя и импульсная плотности мощ- В выражении (6) полагается, что D 1 cm, а разности излучения лазера (LS) определяются условием меры просматриваемой анализатором области мишевыделения информации из общего потока электронов, ни вдоль X- и Y -координат совпадают с L f 10 mm рождающихся на зондирующей мишени и остаточном и d f 0.3 mm соответственно. Полученное значегазе, а также требуемой оперативностью устройства. ние Ie2 более чем на два порядка превосходит ток Рассмотрим возможности данного метода диагностики фоновых электронов при давлении остаточного газа на примере сильноточного пучка атомов водорода с энер- Pb 10-4 Torr. При этом средняя энергия фотоэлекгией E0 = 400 keV, db 4 cm и плотностью тока частиц тронов равна Ee 220 eV, а интервал между максиj0 1A/cm2. Процентное содержание метастабильного мумами соответствующего распределения составляет 2s-квантового состояния при формировании такого пучка Ee| max 1(2) - Ee| max 2(2) 2Ee · e 65 eV.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Метод и устройство для невозмущающей диагностики сильноточного пучка нейтральных частиц... На пролетном участке до анализатора ленточный поток регистрируемых электронов расплывается в поперечном направлении под влиянием собственного пространственного заряда. Это приводит к некоторым потерям и увеличению углового разброса электронов на входной щели анализатора, а также к ухудшению его разрешения. Степень проявления этих эффектов характеризуется величиной d f /d f 5 · 104Ie [A] · (Ee [eV])-1.5L2/(L f · d f ) 0.e и в данном случае их можно не учитывать. Потерями и рассеянием электронов на остаточном газе также можно пренебречь. Влияние пространственного заряда электронов на дисперсионные свойства рассматриваемого анализатора определяется величиной 1.Qa = Ie/(d f · L f · Ee ) и проявляется при ее значениях 10-7-10-6 A · cm-2 · eV-1.5 [5]. Для анализируемого случая Qa 10-9 A · cm-2 · eV-1.5, что более чем на два порядка меньше указанной граничной величины.

Длительность практически постоянной амплитуды импульса излучения рассматриваемого лазера может составлять 10 ns. При полученном токе фотоэлектронов этого времени достаточно для проведения необходимых измерений в сканирующем режиме работы анализаторов по импульсу электронов на выбранном участке поперечного сечения пучка. Время получения полной информации определяется скоростью механического перемещения соответствующих элементов устройства в пределах размера пучка атомов водорода по X- и Y -координатам. При частоте включения лазера больше или порядка 10 Hz достаточно подробная информация о характеристиках рассмотренного пучка может быть получена за время его квазинепрерывного импульса (несколько секунд).

Список литературы [1] Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. // Итоги науки и техники.

Сер. Физические основы лазерной и пучковой технологии.

Т. 5. (Ионно-пучковая технология). М.: ВИНИТИ, 1989.

С. 55–112.

[2] Артёмов А.С. // Труды 14-го совещания по ускорителям заряженных частиц. 1995. Т. 2. С. 36–40.

[3] Artiomov A.S. // Preprint JINR. N E9-92-501. Dubna, 1992.

[4] Gillespie G.H. // Nucl. Instr. Meth. B. 1985. Vol. 10/11. Pt 1.

P. 22–25.

[5] Гамаюмов Ю.Г., Козлов И.Г. // ЖТФ. 1968. Т. 38. Вып. 3.

С. 531–538.

Журнал технической физики, 1998, том 68, №




© 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.