專利名稱：激光測量電子束電流密度的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于電子束診斷技術(shù)領域，具體涉及一種激光測量電子束密度，進而測得電流密度的方法。
背景技術(shù)：
在原子分子物理研究領域，為了在實驗室獲得很高電荷態(tài)離子，一般采用兩種方法。一種方法是用大型加速器產(chǎn)生的相對論性重離子轟擊靜止的固體靶，把離子剝離到高電荷態(tài)；另一種方法是用能量低得多的電子去轟擊幾乎靜止的重離子(原子)氣體靶，剝離離子(原子)到高電荷態(tài)。后一種方法就是電子束離子阱(electron beam ion trap，EBIT)中用到的。在EBIT中，由于電子束電流密度能決定阱區(qū)離子約束時間、電離速率，進而影響能達到的電荷態(tài)，所以精確測量電子束電流密度對EBIT實驗有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種激光測量電子束電流密度的方法，以提高測量精度。
本發(fā)明提出的激光測量電子束電流密度的方法，其步驟是用激光穿過電子束，測量探測光束和參考光束的相位差，根據(jù)電子束的色散關(guān)系，電子束密度和折射率的關(guān)系，得到電子束密度，以及電流密度。
本發(fā)明方法的理論基礎為電磁波通過電子束時，電子束的折射率將改變電磁波的相位。對于確定頻率的電磁波，折射率為電子密度的線性函數(shù)。再由電流密度與電子密度的關(guān)系，得到電流密度。
激光是一種很穩(wěn)定的、可控制、可測量的電磁波。用激光干涉方法可以測量光的相位，從而確定電子束的折射率，再根據(jù)電子束的色散關(guān)系，容易得到電子束密度(電流密度)與折射率的關(guān)系。
其中λ是激光波長(μm)，(z2-z1)是激光在電子束中的光程(cm)，ne(z)電子束密度(cm-3)，是相移，單位是rad。
在本發(fā)明中，電磁波選自高相干性的激光束。在各種激光束中，又以遠紅外激光最適合。因此，激光器采用連續(xù)輝光放電的遠紅外激光器。
對于EBIT裝置，遠紅外激光波長最適合于電子束密度的測量，單道遠紅外激光干涉儀能夠測量電子束線平均密度，利用多道遠紅外激光干涉儀測量到的多道線密度，進行Abel反演，即可獲得電子束密度，進而得到電流密度。
本發(fā)明提出的測量電子束密度(電流密度)的方法，穩(wěn)定性好，操作方便，具有時間分辯。
具體實施例方式
在安裝有連續(xù)輝光放電的遠紅外激光器、轉(zhuǎn)動光柵干涉儀的EBIT實驗診斷系統(tǒng)上，測量光程相移。采集干涉信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，由公式(2)-(11)，得到相移，將測量的相移代入公式(12)-(16)，得到電子束密度，由公式(17)得到電流密度。
設測量的參考信號為x1，探測信號為x2，可表示為x1＝[A1cos(ω+Δω)t+B1cosωt]2(2)x2＝[A2cos(ω+Δω)t+B2cos(ωt+)]2(3)A1、B1、A2、B2是常數(shù)，ω是激光電磁波的角頻率，Δω是激光經(jīng)轉(zhuǎn)動光柵產(chǎn)生的Dopple頻移。為光束經(jīng)過電子束后引起的相移，即我們要求的量。由(2)、(3)式得x1＝A12cos2(ω+Δω)t+B12cos2ωt+A1B1[cos(2ω+Δω)t+cosΔωt] (4)x2＝A22cos2(ω+Δω)t+B22cos2(ωt+)+A2B2[cos(2ωt+Δωt+)+cos(Δωt-)](5)實際上，探測器來不及響應高頻變化，所以x1和x2取x1＝A1B1cosΔωt (6)x2＝A2B2cos(Δωt-) (7)令＝ΔωΔt，則x2＝A2B2cos[Δω(t-Δt)] (8)比較(6)、(8)兩式，可以求出Δt，從而求出。
其中Δf=2f2πRNcsinα---(9)]]>Δf=2·2πRsinαλN=2πRdN=GN---(10)]]>Δω=2πΔf=(2π)2RdN---(11)]]>式中f為激光頻率，R為光柵半徑，c為光速，N為光柵每秒轉(zhuǎn)動的周數(shù)，d為條紋寬度，G＝2πR/d為光柵總條紋數(shù)?？梢?，調(diào)節(jié)光柵轉(zhuǎn)速即可得到所需的頻率Δf和Δω。
對于單道測量，引入平均電子束密度 為
ne‾=1z2-z1∫z1z2ne(z)dz---(12)]]>代入(1)式得 式中，c是常數(shù)。
對于多道測量，令線積分密度為I(y)=∫z1z2ne(z)dz---(14)]]>把z1，2＝±(a2-y2)1/2和dzdr=rr2-y2]]>代入(14)式，則有I(y)=2∫yane(r)rdr(r2-y2)1/2---(15)]]>其中a為電子束半徑。(15)式就是著名的Abel積分方程，它的解是ne(r)=-1π∫dI(y)dy·dy(y2-r2)1/2---(16)]]>由測量到的線密度多道信號，就得到了電子束密度分布。
電流密度ψ為ψ＝neqv (17)ne是電子束密度，q是電子電荷，v是電子速度。
測量實例眾所周知，在高斯束傳輸理論中，當直徑為d的高斯光束通過孔徑為D的光學元件時，其功率傳輸PD/P0=1-e-D2/d2]]>式中P0是入射功率，PD是光束通過光學元件后的出射功率。當取D≥2d時，將會有98％以上的光能通過。本系統(tǒng)所有光學元件有效通光口徑取D＝2.2d。系統(tǒng)整個光路均按高斯束傳輸理論計算，并按e光模式傳播。Dopple頻移取115Hz。所有反射鏡均用K8玻璃基片鍍鋁。相干光源為HCN分子氣體波導激光器(λ＝337μm)，在工作氣體(N2∶CH4∶He)混氣比為1∶2.6∶6條件下，工作電流為1.4A時可獲得穩(wěn)定的單模輸出功率約53mW。
差拍探測采用熱釋電探測器，采用低噪聲運放、帶通濾波及低阻抗輸出。參考光束和探測光束經(jīng)探測器接收后，經(jīng)過前置放大、濾波，分別進入相位差計的兩輸入端，兩路信號經(jīng)過零比較、時鐘計數(shù)，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大后即可求得所要測量的相移，從而求出電子束平均密度和電流密度。
在第237次實驗中，在裝置放電后1.7s時刻，參考光束和探測光束兩路信號經(jīng)過零比較后，得到Δt＝2.2μs代入＝ΔωΔt得到相移＝1.6×10-3rad代入(13)-(16)式得到電子束密度ne＝1.6×1012cm-3代入(17)式得到電流密度ψ＝2000A/cm2(其中，在電子束能量為15keV時，電子速度v＝7.27×107[m/s])傳統(tǒng)的電流密度測量方法是用電流除電子束截面，本方法進一步豐富了電子束電流密度的測量方法，并具有時間分辯。同時也給出了電子束密度。
權(quán)利要求
1.一種電子束電流密度測量方法，其特征在于其步驟為采用激光穿過電子束，測量探測光束和參考光束的相位差，根據(jù)電子束的色散關(guān)系，電子束密度和折射率的關(guān)系，繼而得到電子束密度，以及電流密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束電流密度測量方法，其特征在于所用的激光為遠紅外波長的激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束電流密度測量方法，其特征在于由x1＝A1B1cosΔωt (6)x2＝A2B2cos[Δω(t-Δt)] (8)求得Δt，并由＝ΔωΔt，得到相移；這里，Δω=(2π)2RdN---(11)]]>其中，x1為參數(shù)信號，x2為探測信號，A1、B1和A2、B2分別為x1和x2的系數(shù)，ω為激光電磁波的角頻率，Δω為激光經(jīng)轉(zhuǎn)動光柵產(chǎn)生的Dopple頻移，R為光柵干涉儀的光柵半徑，d為光柵條紋寬度，N為光柵每秒轉(zhuǎn)動的周數(shù)，為激光束經(jīng)過電子束后引起的相移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子束電流密度測量方法，其特征在于由下式 求得電子束密度ne(z)，其中，λ為激光波長，單位為μm，(z2-z1)為激光束在電子束中的光程，單位為cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子束電流密度測量方法，其特征在于電子電流密度為ψ＝neqv(17)ne是電子束密度，q是電子電荷，v是電子速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束電流密度測量方法，其特征在于對于單道測量，所述的電子束密度取平均密度 c是常數(shù)；對于多道測量，所述電子束密度ne為ne(r)=-1π∫dI(y)dy·dy(y2-r2)1/2---(16)]]>
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電子束電流密度的測量方法。本方法是通過激光穿過電子束，光程會發(fā)生隨電子束密度(折射率)改變的現(xiàn)象，采用標準的干涉光路，測量光程差，通過計算得出電子束密度，進而得到電流密度。本發(fā)明進一步豐富了電子電流密度的測量方法，并具有時間分辨率，同時也獲得了電子束密度。
文檔編號G01R19/08GK1704761SQ20041002494
公開日2005年12月7日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者馮潔, 鄒亞明, 周筑穎 申請人:復旦大學