專利名稱：激光測量電子束半徑的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子束診斷技術(shù)，具體涉及一種激光測量電子束半徑的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在原子分子物理研究領(lǐng)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光譜診斷中，電子束的大小相當(dāng)重要，輻射源的大小由電子束半徑?jīng)Q定，并且直接用作分光譜儀的入射狹縫，因而電子束半徑大小直接影響譜線測量的分辨率，因此需要精確知道電子束半徑大小。此外，為了測量電子一離子相互作用(電離、復(fù)合等)絕對截面，有必要知道電子束電流密度，而這也和電子束大小有關(guān)。所以精確測量電子束半徑對EBIT實驗有重要意義。
在EBIT實驗中，常采用X射線針孔成像的原理測量電子束半徑，然而這種方法也有它的不足之處。首先，冷離子主要位于電子束內(nèi)，導(dǎo)致電子束半徑被低估；其次，狹縫緊靠近電子束，這種實驗布局給角度調(diào)整帶來很大困難，即使狹縫軸和電子束軸很小的不對應(yīng)，都會引起電子束半徑測量很大的誤差；此外，若觀測來自約束離子輻射的可見光，輻射圖像并不能直接顯示電子束大小，因為有些躍遷壽命足夠長以至離子在輻射前離開電子束，這種情況下，輻射圖像顯示的是離子云的分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光測量電子束半徑的方法及裝置，提高電子束半徑測量精度。在二十世紀六十年代早期，激光器出現(xiàn)后不久，人們用紅寶石激光器發(fā)出的激光(20J，800μs)，以θ＝65°照到2KeV、75mA的電子束上，發(fā)現(xiàn)有弱的散射信號，這就是湯姆遜散射。我們利用湯姆遜散射成像的方法，研制出電子束半徑測量方法及用于上述方法的測量裝置，精確測定電子束半徑。
本發(fā)明的具體解決方案為一種激光測量電子束半徑的方法，包括下列步驟(1)采用倍頻的Nd:YVO4激光束，該激光束聚焦到漂移管中心，與電子束逆向重合于漂移管中心，產(chǎn)生湯姆遜散射信號；(2)用物鏡接收垂直于激光束(電子束)方向的湯姆遜散射信號；(3)用濾光片消除雜散光和紅外線輻射；(4)將湯姆遜散射信號放大成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD(數(shù)碼)相機上；(5)用定標靶伸入漂移管中心，使定標靶成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(6)比較定標靶和電子束的像，得到電子束半徑。
在步驟(4)和步驟(5)之間可以增加下述步驟用He-Ne激光或EBIT阱區(qū)離子的輻射光，沿觀測光軸方向調(diào)整CCD相機的位置。在步驟(2)和步驟(3)之間可以增加下述步驟在物鏡后放置偏振片，調(diào)整偏振片的偏振方向，使偏振片偏振軸方向與入射激光的偏振方向垂直或平行，平行時得到散射信號和本底信號之和，垂直時，過濾掉散射信號，只得到本底信號，兩者之差就是散射信號。
一種激光測量電子束半徑裝置，它包括激光器、透鏡、標定靶、物鏡、目鏡、濾光片和經(jīng)低溫冷卻的CCD相機；激光器發(fā)射出的激光束經(jīng)透鏡與電子束方向逆向進入漂移管中心，物鏡位于與激光束(電子束)方向垂直的觀測光路上，物鏡、濾光片、目鏡及數(shù)碼相機在觀測光路上順序排列；定標靶可以從外部伸入漂移管中心。
所述的激光器為倍頻的摻釹釩酸釔激光器，目鏡的放大率為10，所述的濾光片由兩個有色玻璃濾光片組成，在物鏡與濾光片之間放置有偏振片，所述的定標靶為一探針，在激光束的光路上設(shè)置有兩反射鏡，在任一反射鏡的旁邊放置有經(jīng)緯儀。
本發(fā)明的優(yōu)點是能精確測量電子束半徑。


附圖為EBIT裝置激光散射光路布局圖。
具體實施例方式
EBIT主要由三部分組成一個電子槍，一個低溫區(qū)(包括漂移管7)，和一個電子收集器。來自電子槍陰極14的發(fā)射電子經(jīng)電子槍和漂移管7之間的電場加速，同時被一對超導(dǎo)亥姆赫茲線圈8產(chǎn)生的磁場壓縮。中心漂移管7有八個位置對稱的與電子束平行的狹縫，其中一個用于觀測散射信號。穿過漂移管7后，電子經(jīng)減速發(fā)散后被電子收集器接收。在漂移管7中，高速電子與低電荷態(tài)離子碰撞，使離子的電子不斷被剝離，產(chǎn)生高電荷態(tài)離子，離子受到三重約束電子束的空間分布對離子的徑向約束，超導(dǎo)磁場對離子的徑向約束及漂移管7兩端靜電場對離子的軸向約束。
本發(fā)明提供了一種激光測量電子束半徑的方法，包括下列步驟(1)采用倍頻的Nd:YVO4激光束，該激光束聚焦到漂移管中心，與電子束逆向重合于漂移管中心，產(chǎn)生湯姆遜散射信號；(2)用物鏡接收垂直于激光束(電子束)方向的湯姆遜散射信號；(3)用濾光片消除雜散光和紅外線輻射；(4)將湯姆遜散射信號放大成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(5)用定標靶伸入漂移管中心，使定標靶成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(6)比較定標靶和電子束的像，得到電子束半徑。
在步驟(4)和步驟(5)之間可以增加下述步驟用He-Ne激光或EBIT阱區(qū)離子的輻射光，沿觀測光軸方向調(diào)整CCD相機的位置。為了提高信噪比，可以在步驟(2)和步驟(3)之間增加下述步驟在物鏡后放置偏振片，調(diào)整偏振片的偏振方向，使偏振片偏振軸方向與入射激光的偏振方向垂直或平行，平行時得到散射信號和本底信號之和，垂直時，過濾掉散射信號，只得到本底信號，兩者之差就是散射信號。
激光測量電子束半徑的裝置，包括激光器1、透鏡2、標定靶6、物鏡9、目鏡10、濾光片12和經(jīng)低溫冷卻的CCD相機13；激光器1發(fā)射出的激光束經(jīng)透鏡2與電子束方向逆向進入漂移管7中心，物鏡9位于與激光束(電子束)方向垂直的觀測光路上，物鏡9、濾光片12、目鏡10及數(shù)碼相機13在觀測光路上順序排列；標定靶6可以從外部伸入漂移管7中心。
激光器1為倍頻的摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)激光器，輸出單頻綠光(532nm)，激光束經(jīng)透鏡2聚焦到漂移管7中心，焦斑直徑約1mm，激光束進入漂移管7的方向和電子束方向逆向，能量在激光束剖面上的分布是均勻的。入射激光的偏振方向垂直于入射波矢和散射波矢組成的平面，在圖中垂直于紙面。垂直于激光束方向的散射信號由物鏡9、目鏡10、濾光片12和經(jīng)低溫冷卻的CCD相機13構(gòu)成的物鏡系統(tǒng)接收。目鏡10的放大率為10，用He-Ne激光或EBIT阱區(qū)離子的輻射光，能沿觀測光軸方向調(diào)整CCD相機13的位置。
所述的濾光片12由兩個有色玻璃濾光片(B-390和KG-3)組成。B-390玻璃在530nm處的透過率是6×10-3％，用它消除激光和漂移管壁接觸而產(chǎn)生的雜散光，KG-3玻璃用于消除來自電子槍陰極14的紅外輻射。
在物鏡9與濾光片12之間放置有偏振片11，當(dāng)偏振片起偏方向和入射激光偏振方向一致時，可以探測到帶本底的散射信號，當(dāng)改變偏振片偏振軸方向與入射激光偏振方向垂直時，只能測到本底信號。為了提高信噪比，每次測量都要求得到帶本底的散射信號和本底信號。
定標靶6用來標定散射成像，圖中的定標靶6為一探針。這個探針可以從外部伸入漂移管7中心，通過與位于漂移管7中心發(fā)出可見光的探針頭部在CCD相機13上的像大小比較，可以得到電子束半徑大小。
在激光束的光路上設(shè)置有兩個反射鏡3、4，從激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)透鏡2后，再經(jīng)過反射鏡3、4兩次全反射后，再進入漂移管7，在反射鏡3或反射鏡4的旁邊放置有經(jīng)緯儀5，用以調(diào)整激光束光軸的方向。
權(quán)利要求
1.一種激光測量電子束半徑的方法，包括下列步驟(1)采用倍頻的Nd:YVO4激光束，將該激光束聚焦到漂移管中心，與電子束逆向重合于漂移管中心，產(chǎn)生湯姆遜散射信號；(2)用物鏡接收垂直于激光束(電子束)方向的湯姆遜散射信號；(3)用濾光片消除雜散光和紅外線輻射；(4)將湯姆遜散射信號放大成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(5)用定標靶伸入漂移管中心，使定標靶成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(6)比較定標靶和電子束的像，得到電子束半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光測量電子束半徑的方法，其特征在于在步驟(4)和步驟(5)之間增加下述步驟用He-Ne激光或EBIT阱區(qū)離子的輻射光，沿觀測光軸方向調(diào)整CCD相機的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光測量電子束半徑的方法，其特征在于在步驟(2)和步驟(3)之間增加下述步驟在物鏡后放置偏振片，調(diào)整偏振片的偏振方向，使偏振片偏振軸方向與入射激光的偏振方向垂直或平行，平行時得到散射信號和本底信號之和，垂直時，過濾掉散射信號，只得到本底信號，兩者之差就是散射信號。
4.一種激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于它包括激光器(1)、透鏡(2)、標定靶(6)、物鏡(9)、目鏡(10)、濾光片(12)和經(jīng)低溫冷卻的CCD相機(13)；激光器(1)發(fā)射出的激光束經(jīng)透鏡(2)與電子束方向逆向進入漂移管(7)中心，物鏡(9)位于與激光束(電子束)方向垂直的觀測光路上，物鏡(9)、濾光片(12)、目鏡(10)及CCD相機(13)在觀測光路上順序排列；定標靶(6)可以從外部伸入漂移管(7)中心。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于所述的激光器(1)為倍頻的摻釹釩酸釔激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于目鏡(10)的放大率為10。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于所述的濾光片(12)由兩個有色玻璃濾光片組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于在物鏡(9)與濾光片(12)之間放置有偏振片(11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于所述的定標靶(6)為一探針。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光測量電子束半徑的裝置，其特征在于在激光束的光路上設(shè)置有兩反射鏡(3、4)，在反射鏡(3)或反射鏡(4)的旁邊放置有經(jīng)緯儀(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光測量電子束半徑的方法及裝置。其方法包括下列步驟(1)采用倍頻的Nd: YVO4激光束，該激光束聚焦到漂移管中心，與電子束逆向重合于漂移管中心，產(chǎn)生湯姆遜散射信號；(2)用物鏡接收垂直于激光束(電子束)方向湯姆遜散射信號；(3)用濾光片消除雜散光和紅外線輻射；(4)將湯姆遜散射信號放大成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(5)用定標靶伸入漂移管中心，使定標靶成像在經(jīng)低溫冷卻的CCD相機上；(6)比較定標靶和電子束的像，得到電子束半徑。本發(fā)明還涉及完成上述方法的裝置。本發(fā)明的優(yōu)點是能精確測量電子束半徑。
文檔編號G01B11/08GK1673668SQ200510057038
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者馮潔, 汪達成, 胡成華 申請人:重慶交通學(xué)院