ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНЫХ СКОРОСТЕЙ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В СИЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
DEVICE FOR MEASURING TRANSVERSE VELOCITIES OF RELATIVISTIC ELECTRONS IN STRONG MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в высоковольтной импульсной технике для диагностики импульсных источников релятивистских электронных потоков в сильном магнитном поле путем измерения поперечных скоростей релятивистских электронов.
Известно устройство [RU 2089918 C1, G01P 15/08, G01P 3/42, 10.09.1997], содержащее размещенное в камере инерционное тело, два мерных участка, ограниченных детекторами крайних положений и детекторами прохождения, вычислитель, источник электронов, модулирующий генератор, измеритель разности фаз и резисторы нагрузки, при этом детекторы прохождения выполнены в виде кольцевых электродов с центральным отверстием для прохождения потока электронов и соединены с выходом модулирующего генератора, детекторы крайних положений выполнены в виде дисковых анодов, подключенных к положительной клемме источника постоянного напряжения через резисторы нагрузки и непосредственно к первому и второму входам измерителя разности фаз, выход которого соединен с вычислителем, мерные участки взаимно ортогональны, камера выполнена вакуумной, а инерционное тело - в виде двух непрерывных потоков электронов.
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что оно не обеспечивает измерение поперечных скоростей релятивистских электронов в сильном магнитном поле.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [Стрелков П.С., Шкварунец А.Г., Шунка П. Анализ углового и энергетического спектра электронов сильноточного релятивистского пучка в магнитном поле // Физика плазмы, 1981, т.7, вып.3, с. 564-572], содержащее установленные в вакуумной камере перед источником электронов корпус измерителя с входным отверстием-диафрагмой, соленоид, размещенный вне корпуса измерителя и выполненный с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля с направлением силовых линий вдоль продольной оси корпуса измерителя, а также регистратор распределения электронов по расстоянию от продольной оси корпуса измерителя, размещенный за входным отверстием-диафрагмой.
Η
Электроны распространяются в магнитном поле по спиралевидным траекториям с шагом λ и радиусом, обратно пропорциональными индукции магнитного поля. Часть электронов проникает через диафрагму на оси корпуса и оседает на регистраторе. Расстояние от места оседания до оси корпуса определяется так называемым питч-фактором tgθ, то есть отношением поперечной и продольной - по отношению к направлению магнитного поля - скоростей электронов, которое и является объектом измерения. Поскольку полная энергия и скорость электрона обычно известны из других измерений, питч-фактор однозначно определяет его поперечную скорость.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность.
Н
Это вызвано, в частности, тем, что разрешение устройства ограничивается длиной L, которая определяется шагом λ спиральной траектории электрона в магнитном поле и зависит от его индукции В:
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>e</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
где γ - релятивистский фактор, характеризующий энергию релятивистских электронов c зарядом e и массой m, ускоренных в разности потенциалов U (
, где c - скорость света).
Для электронов с энергией 0.5 МэВ (γ≈2) в магнитном поле 1 Тл длина L≈3 мм, то есть для угла θ=10° между скоростью электрона и магнитным полем, расстояние от точки осаждения электрона до оси r≈0.5 мм. Тот же порядок величины имеет глубина проникновения релятивистских электронов в материалы корпуса и регистратора, а также размер диафрагмы, которая не может быть меньше. Таким образом, даже измерение питч-угла θ=10 в магнитном поле 1 Тл с точностью до 100% становится практически неосуществимым. Причиной этого является малость расстояния L от диафрагмы до регистратора, которое определяется наличием сильного магнитного поля на этом участке.
Задача, на решение которой направлено изобретение, и требуемый технический результат заключаются в повышении точности устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в измерителе поперечных скоростей релятивистских электронов в сильном магнитном поле, содержащем установленные в вакуумной камере перед источником электронов корпус измерителя с входным отверстием-диафрагмой, соленоид, размещенный вне корпуса измерителя и выполненный с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля с направлением силовых линий вдоль продольной оси корпуса измерителя, а также регистратор распределения электронов по расстоянию от продольной оси корпуса измерителя, размещенный за входным отверстием-диафрагмой, согласно изобретению корпус измерителя выполнен из металла с высокой проводимостью в форме усеченного конуса, обращенного меньшим по диаметру основанием к источнику электронов, и размещен в области отсутствия магнитного поля источника электронов в магнитном поле соленоида, сам соленоид размещают на расстоянии от источника электронов, обеспечивающем однородность магнитного поля от источника электронов до корпуса измерителя, и выполняют с возможностью формирования импульсного магнитного поля с длительностью, исключающей проникновение поля через стенки корпуса измерителя.
При отсутствии магнитного поля внутри корпуса, в соответствии с формулой (1) при В=0 длина L стремится к бесконечности, т.е. расстояния от отверстия-диафрагмы до регистратора может быть сделано сколь угодно большим для обеспечения необходимой точности измерений.
Сопоставительный анализ с наиболее близким техническим решением показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что корпус измерителя выполнен в форме усеченного конуса, обращенного верхним основанием к источнику электронов, и размещен в области отсутствия магнитного поля источника электронов, а соленоид создает магнитное поле в течение малого отрезка времени, обеспечивающего вследствие скин-эффекта глубину проникновения магнитного поля соленоида в корпус измерителя меньше толщины стенки корпуса измерителя. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию ″новизна″.
Кроме того, в известных источниках информации не обнаружено сведений о возможности повышения точности измерений путем использования вновь введенных отличительных признаков. Следовательно, предложение отвечает критерию «изобретательский уровень».
Дополнительно к отмеченному, все элементы устройства выполнены из распространенных материалов по известным технологиям, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию «промышленная применимость».
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - измеритель поперечных скоростей релятивистских электронов в сильном магнитном поле;
1
2
на фиг. 2 - зависимости индукции магнитного поля источника электронов B и соленоида в измерителе В вдоль оси z в отсутствие корпуса измерителя;
на фиг. 3 - зависимость индукции магнитного поля В вдоль оси z, совпадающей с осью корпуса;
на фиг. 4 - прототип измерителя.
Н
На фиг. 1 и фиг. 4 обозначены: 1 - вакуумная камера; 2 - соленоид, создающий магнитное поле вдоль продольной оси корпуса измерителя; 3 - корпус измерителя; 4 - регистратор распределения электронов по расстоянию от оси; 5 - спиралевидные траектории движения электронов в магнитном поле с шагом λ и радиусом, обратно пропорциональными индукции магнитного поля; 6 - силовые линии магнитного поля (пунктир); 7 - отверстие-диафрагма в корпусе измерителя, 8 - продольная ось корпуса измерителя.
Измеритель поперечных скоростей релятивистских электронов в сильном магнитном поле содержит установленные в вакуумной камере 1 перед источником электронов (не показан) корпус 3 измерителя с входным отверстием-диафрагмой 7, соленоид 2, размещенный вне корпуса 3 измерителя и выполненный с возможностью создания в вакуумной камере 1 магнитного поля с направлением силовых линий 6 вдоль продольной оси корпуса 3 измерителя, а также регистратор 4 распределения электронов по расстоянию от продольной оси 8 корпуса измерителя, размещенный за входным отверстием-диафрагмой 7. Траектория 5 электрона имеет форму спирали в магнитном поле вне корпуса измерителя и форму прямой лини без магнитного поля внутри корпуса.
1
2
1
1
2
На фиг. 2 показаны зависимости индукции магнитного поля источника электронов В и соленоида 2 в измерителе В вдоль оси z в отсутствие корпуса измерителя. Корпус 3 измерителя располагается в области, где Β=0, а соленоид 2 измерителя размещают так, что суммарное магнитное поле В=B+В, обеспечивающее транспортировку электронов от источника до корпуса 3 измерителя, приблизительно однородно вдоль оси.
Используется измеритель поперечных скоростей релятивистских электронов в сильном магнитном поле следующим образом.
Вакуумная камера 1 стыкуется с вакуумным объемом источника электронов, обеспечивая возможность их распространения. В области, где магнитное поле источника электронов падает до нуля, соленоид 2 создает импульсное магнитное поле приблизительно с той же индукцией, что и магнитное поле в источнике электронов. В этой же области располагается корпус 3 измерителя, продольная ось 8 которого совпадает по направлению с магнитной силовой линией, которая входит в отверстие-диафрагму 7 в корпусе измерителя. Толщина стенки корпуса 3 измерителя в несколько раз превышает толщину скин-слоя тока, который индуцируется на стенках корпуса 3 импульсным магнитным полем соленоида 2, поэтому магнитное поле внутри измерителя всегда равно нулю.
Η
Конусная форма поверхности корпуса 3 измерителя практически полностью устраняет искажение магнитного поля вне конусного корпуса на его оси током, индуцированным на стенках. На фиг. 4 показано, что индукция магнитного поля падает почти от исходной величины до нуля на небольшом - по сравнению с шагом λ - расстоянии вдоль продольной оси корпуса от внешней до внутренней границы отверстия-диафрагмы 7 и далее сохраняет нулевое значение. В таком магнитном поле электрон двигается по спиралевидной траектории вне корпуса 3 и по прямой 5 с сохранением направления - внутри корпуса 3. Расстояние L от отверстия-диафрагмы 7 до регистратора 4 в таком случае ограничивается только чувствительностью регистратора 4, т.е. расстояние L может быть многократно увеличено по сравнению с прототипом.
Это достигается тем, что корпус 3 помещается в область, где магнитное поле источника электронов равно нулю, соленоид 2 создает магнитное поле с малой длительностью импульса, при которой глубина проникновения магнитного поля в материал корпуса 3 меньше толщины стенки корпуса 3. Форма корпуса в виде усеченного конуса с отверстием-диафрагмой 7 у вершины (верхнего основания) позволяет свести искажение магнитного поля токами, наведенными на стенках корпуса 3 полем соленоида 2, к небольшому значению, не искажающему измеряемый питч-фактор электронных траекторий.
Н
На фиг. 3 снизу показана зависимость индукции суммарного - от источника электронов и соленоида 2 - магнитного поля В вдоль оси z, совпадающей с осью корпуса. На том же чертеже сверху показано положение (радиус) конусной стенки корпуса вдоль оси. Видно, что внутри корпуса магнитное поле равно нулю, а переходная область Δz имеет длину порядка размера отверстия-диафрагмы, т.е. может быть сделана много короче шага спирали λ. Искажения магнитного поля токами на конусном корпусе определяются углом раскрыва конуса α и тем меньше, чем меньше α и измеряемый питч-фактор tgθ.
На фиг. 4 показано устройство, выбранное в качестве прототипа. Наличие магнитного поля в корпусе измерителя определяет в нем форму траекторий электронов в виде спирали, что ограничивает расстояние от отверстия-диафрагмы до регистратора (длину L) и точность измерений.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что заявляемое устройство позволяет измерять поперечные скорости релятивистских электронов с питч-фактором tgθ<0.1, что на порядок лучше, чем с помощью наиболее близкого технического решения - прототипа.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства (в частности, тем, что корпус измерителя выполнен из металла с высокой проводимостью в форме усеченного конуса, обращенного верхним основанием к источнику электронов, и размещен в области отсутствия магнитного поля источника электронов, соленоид размещают от источника электронов на расстоянии, обеспечивающем однородность магнитного поля от источника электронов до корпуса измерителя, и выполняют с возможностью формирования импульсного магнитного поля с длительностью, исключающей его проникновение через стенки корпуса измерителя) достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности измерений.