Экспериментальные методы исследования плазмы. Часть 2.
Лекция 11.
Методы диагностики мощных пучков частиц.
И.А.Иванов - 2011
Проблемы диагностики мощных пучков
Измерение параметров сильноточных электронных и ионных пучков, E ~ 1 МэВ Измеряемые параметры
•ток пучка J(t);
•энергия частиц в пучке eU(t), спектр частиц по энергиям df/dE;
•энергосодержание пучка за импульс Q, однородность по сечению пучка dQ(x,y)/ds;
•угловой разброс ;
•электрические и магнитные поля в разных точках установки, в т.ч. внутри пучка.
Особенности измерений
•большая энергия частиц (большой пробег в веществе и др.);
•большая удельная мощность (разрушение приёмников пучка);
•большое собственное магнитное поле пучка;
•наличие нейтрализующей плазмы;
•ведущее магнитное поле;
•мощное рентгеновское излучение (для электронных пучков)
•кратковременность существования сильноточного пучка (10-9-10-5 с).
Часто выходом является измерение параметров маленькой части пучка
«обычные» диагностические методики в лекции не рассматриваются !!!
Активная штарковская спектроскопия
Измерение напряжённости электрического поля в высоковольтном диоде: измеряется сдвиг линий у атомов зондирующего пучка
Схема уровней атома лития |
Смещение уровней в электрическом поле |
|||||||||||||
|
|
|
|
4D |
|
|
4F |
|
|
|
|
|
||
|
|
4P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
460 нм |
|
|
|
|
|
|||
|
|
2P |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
641 нм |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ограничения и ошибки метода |
|||||
- эффект Зеемана =5.6·10-2B [Тл, нм]; |
|
|
|
|
||||||||||
- эффект Доплера: * расходимость пучка атомов; |
|
«холодный» пучок атомов Li |
||||||||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
* разброс скоростей в пучке; |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
* разброс проекций вектора скорости при наблюдении ( <<1); |
||||||
- min E: ширина аппаратной функции спектрометра; |
|
|
|
|
||||||||||
- max E: «выгорание» атомов при E ~ 1 МВ/см; |
|
|
|
|
||||||||||
- мощность лазера накачки: |
* min: для насыщения ~10 кВт/см2; |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* max: чтобы не было ионизации ~1 МВт/см2; |
|||||
- ионизация электронами и ионами в диоде: j ≤ 15 кА/см2, j |
ион |
≤ 0.5 кА/см2; |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эл |
|
|
|
|
- фоновое свечение среды и элементов конструкции.
Реализация метода АШС
|
|
|
Схема эксперимента |
У-1, ИЯФ, 1987 |
|
|
d0 |
|
испаряющий лазер |
литиевая |
|
|
d(t) |
|
|
||
|
|
(Родамин 6Ж) |
мишень |
|
|
|
|
|
диод |
пучок лития: v ~ 2·106 см/с, v/v ~ 1-3% |
|
|
|
|
Ē |
1 кумарин-1 |
|
А |
|
К |
ловушка света |
||
|
возбуждение |
||||
E(t) |
|
||||
|
|
|
|
лития |
|
|
|
|
|
|
2 оксазин-17 |
- |
U(t) |
┴ |
|
МДР-2 |
диссектор |
|
регистрация флюоресценции |
||||
|
|
|
|
||
Результаты
осциллограммы сигнала
•по измеренному E(t) и известному U(t) получена эффективная величина зазора анод-катод d(t);
•определён момент появления анодной и катодной плазмы, скорость её движения.
Многофольговый анализатор
Измерение энергетического спектра релятивистского электронного пучка
ИНАР, ИЯФ, 1979
набор фольг
|
|
|
H |
|
|
i |
|
|
|
|
i > e |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
e- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dI(x, E) I0 K (x, E) (E) dx dE |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
I1 |
|
|
… In |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
коллиматор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Восстановление спектра: решение обратной задачи |
У-1, ИЯФ |
|
|
Проблемы: |
|
• угловой разброс электронов; |
|
• погрешность измерения; |
|
• неточность знания K(x,E); |
|
• коллиматор (большой пробег частиц); |
|
• вторичные электроны; |
|
• провисание потенциала. |
|
Калибровка: пучок с известным спектром |
|
Многофольговый анализатор - 2
ИНАР, ИЯФ, 1979
Принцип действия – электроны поглощаются в стопке тонких фольг (суммарная толщина больше пробега). Измеряются токи на каждую фольгу. Спектр восстанавливается из токов.
Реализация:
9 фольг из алюминия, суммарная толщина ~1 мм, регистрация на 9 лучей осциллографа (фотография), «ручная» оцифровка.
Проблема: сложная процедура восстановления спектра и погрешности измерения приводят к низкой точности результата.
Магнитные анализаторы спектра
Обычно электронные пучки формируются в сильном продольном магнитном поле. Ларморовский радиус достаточно большой. Идея анализатора состоит в том, что электроны неадиабатически вводятся в поперечное магнитное поле, затем идёт анализ по величине ларморовской спирали.
Общая идея методики |
|||
I |
|
x |
II |
ve |
H |
||
|
|
|
Hx |
|
Hz |
Hz |
z |
|
|
|
|
Варианты реализации
180° |
запирающий |
по шагу (стэп) |
Особенности разных схем реализации
+ есть магнитная фокусировка
A- работа в слабом поле (Hz < 2 кЭ для E/E < 10%)
В+ можно сделать компактным
+ работа в сильном поле (Hz ~ 30 кЭ для E/E ~ 10%)
Б- неработоспособна в реальной жизни
Анализатор с поперечным полем
ГОЛ-3
Принцип действия: электроны отклоняются в поперечном магнитном поле, при этом электроны разных энергий попадают на разные коллекторы, измеряются токи. Спектр получается непосредственно из токов.
Hz, H┴ ~ 2 кЭ
Ji – ток на коллектор i |
1 |
- измеренный спектр на выходе из плазмы |
2 |
- аппаратная функция |
|
угол падения 45° |
eU - начальная энергия электронов до входа в плазму |
|
Коаксиальный анализатор спектра
|
|
|
|
|
|
Анализатор для энергий 0.2÷1 МэВ |
ГОЛ-3 |
||||
|
|
||||
I ~ 10-20 кА – ток, создающий поле H |
|
|
|||
|
|
|
R = 1 см, |
|
|
|
|
|
= 1 мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
Проблемы методики:
•угловой разброс электронов;
•конечный пробег электронов в мишени;
•конечная ширина щели;
•измерения только на оси (есть H от тока пучка);
•отражение электронов от коллекторов.
Измерение спектра электронного пучка методом томсоновского рассеяния
eU ~ 1 МэВ ( ~ 3) |
У-3, ИЯФ |
|
Сечение рассеяния |
Частота рассеянного света |
|
большое сечение рассеяния под малые углы («в лоб»)
CO2-N2 (10.6 мкм)
СО-СО (5.5 мкм)
Приёмник не чувствует излучения лазера !!!
Причины уширения спектра: • температура пучка;
•угловой разброс;
•телесный угол регистрации.