Справка: Вуколов, Артем Владимирович. Оптическое излучение Смита-Парселла, генерируемое пучком электронов нерелятивистских энергий : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.20 Томск, 2005 91 c. : 61 06-1/504
Объем: 91 стр.
Информация: Томск, 2005
Содержание:
1 Теоретические модели, описывающие эффект СмитаПарселла
11 Теория Ван ден Берга
111 Электромагнитное поле нучка электронов
112 Отраженное поле
12Модель МКретчмара
121 Изображение заряд электрона над идеально проводящей поверхностью
122 Индуцированный ток е учетом деформации проводящей поверхности
123 Интенсивность излучения Смита-Парселла
124 Структурный фактор для решетки с треугольным профилем
2 Экспериментальная установка
21 Электронный микроскоп ЭММА-2У
22 Электронная пушка
23 Микровинт и система измерения нараметров пучка
24 Оптическая система измерения
25 Система съема информации
26 Характеристики оптических решеток иснользуемых в экснерименте
3 Исследование характеристик переходного излучения на пучкеэлектронов с энергией Е<75кэВ
31 Спектр переходного излучения для пучка электронов низкой интенсивности
311 Диэлектрическая проницаемость аЛюминня
312 Зависимость интенсивности переходного излучения от энергииэлектронов
32 Сравнение экспериментальных результатов с теоретической моделью
4 Исследование излучения Смита-Парселла в оптическомдиапазоне на пучке электропов с энергией <75кэВ
41 Измерение спектра излучения СП для перпендикулярного угла наблюденияпролета электронов
411 Основные экспериментальные результаты
412 Обработка экспериментальных результатов
42 Сравнение экспериментальных результатов с теоретичеекими расчетами
43 Монохроматичность излучения Смита-Парселла
433 Влияние конечной угловой апертуры
431 Влияние горизонтальной расходимости
432 Влияние вертикальной расходимости
Введение:
в 1942 Фраик [1] предсказал, что электрон, пролетаюший близко кпериодической структуре испускает поляризованный свет. Независимо, Салисбери [2]высказывал подобные иден в 1949. Но только в 1953 году было получено нервоеэкснериментальное подтверждение этого эффекта Смитом и Парселлом [3]. Онипервыми наблюдали излучение в оптическом диапазоне длин волн, генерируелюеэлектронами с энергией 300 кэВ, пролетающими над оптической решеткой.Смит и Парселл предположили, что электромагнитное излучение генерируетсядвижущимся "изображением" электрона, которое движется вдоль поверхностипериодической структуры (решетки) (т.е. с поперечпым ускорением), и получилидисперсионное соотношение из элементарного фазового соотношения:Л, =7^т(—-COS0), (1)Здесь ^п - длина волны нзлучения п-го порядка; D - период реп1етки; п порядок излучения; vo - скорость электрона; 0 - угол наблюдения излучеиия. Послепубликации Смитом и Парселлом результатов эксперимента [3] этот тип пзлучепиябыл пазвап их именами. В их эксперименте использовалась оптическая решетка спериодом D=l,67 микрон и электронный пучок с эпергией около 300 кэВ. Пзлучение,испускаемое под углами 0<ЗО по дисперсионному соотношению, соответствовалооптической области спектра. По оценке авторов в эксперименте необходимо былоизмерить выход излучения примерно 40x10''^ эрг. (приблизительно десять фотонов)на один миллиметр электронного пути пад решеткой для пучка с током 1==5мкА. Смит и Парселл использовалп в эксперпменте трубку нндукцнонногоускорителя. Электронный пучок с диаметром в фокусе =;0,15MM И расходимостьюменьше чем 0.004рад проходнл непосредственно над решеткой длиной 48 мм.Излученне детектировалось под углом 10*^ и 20*^ . Свет собирался линзой иколлиматором, пропускался через спектрограф и фотографировался. Па рис.В1показаны результаты, полученные Смитом и Парселлом. На рисунке изображеиапоследовательность фотографий для различных энергий пучка электропов,получеппые за время экспозиции бОсек.3 4 0 kvоСЕжВZРис. В1. Спектрограмма света, испускаемого отповерхности решетки под углом 0=20 . Слева па снимкевидно изображение, электронного пучка. В правой частиснимка наблюдается эволюция спектральной линиипервого порядка при изменении энергии электронов [3].После описанного эксперимента Смита-Парселла был проведен рядэкспериментальных исследований этого типа излучения в миллиметровом диапазоне,в дальнем инфракрасном диапазоне, инфракрасном, видимом и ультрафиолетовомдиапазоне [4-7]. Однако сравнение с сундествующимп в то время теоретическимимоделями сводилось, в основном, к проверке соотношения (1).Первая строгая теория излучения Смита-Парселла была разработана Вап-денБергом [8-10]. Его метод применим для произвольного периодического профилярешетки. Угловое распределение энергии излучения для п-го порядка даетсявыражением:dO.sin" ^sin' ФD V" Лру(2)где а-константа TOUKoii структуры, N - число периодов рен1еткн, d-расстояние отпучка до решетки, \к„\^ - радиацио1Н1ый фактор, который определяется профилемрешетки и эиергией электронов, у - Лоренц фактор, А.-длииа волны излучения, Dпериод решетки, п-норядок днфракции, p=v/c - отношение скорости электрона кскорости света, Э, Ф - углы вылета фотона, показапные на рис.В2. Согласносоотношению (2) интенсивность надает экспоненциально с увеличением прицельногопараметра d. Длина взаимодействияh = An 'определяет эффективность "связи" между пучком и рен1еткой. В эксперимепте[2] размер пучка электронов 0,15 мм был много больше, чем длина взaи^юдeйcтвияhint10'^ м, одиако выход монохроматических фотонов в оптическом диапазоне дляпучка электронов с энергией ЗООкэВ и током 5мкА был достаточен длядетектирования фотометрическим методом.-• XPIIC.B2 Схема, иллюстрируюпщя процесс излучеиия Смта-Парселла.Почти через десять лет после опытов Смита-Парселла появились указания насоздание генератора электромагнитного излучения, основанного на том же принцине[11]. Прибор этот был разработан в лаборатории фирмы "Варо" и назван варотроном.Источником излучеиия в ием служат электроны, движушиеся вблизи дифракциоинойрешетки. Варотрон позволял легко мепять излучаемую частоту в диапазоне длии волнот 10 до 0,5-10' см. т.е. в инфракрасной области спектра до rpainm видимого света.Паряду с излучепием иа основной гармоннке варотрон давал также излучение навысщих гармониках вплоть до ультрафиолета. Чуть позднее появилось описание ещеодного прибора, основанного на взаимодействии электронного луча с периодическойдифракционной структурой [12]. Схема прибора, названного авторами оротроном(прибор с открытым резонатором и отражающей рещеткой), изображеи на рис.ВЗ. Открытый резонатор образован плоским и сферическим зеркалами, расстояниемежду которыми можно плавно изменять. На поверхности плоского зеркала нанесенагребенка. Генерируемая в резонаторе мощность выводится из него через отверстие всферическом зеркале. Плоский электронный пучок создавался диодной пущкой,формировался с помощью диафрагмы и ускорялся постоянным или импульснымнапряжением. В приборе наблюдалась генерация волн миллиметрового диапазопа,причем частота зависела от расстояния между зеркалами и ускоряющего нанряжения.Выходная мощность почти линейно зависела от тока пучка. Так при токе 1Аимиульсная выходная мощность на длине волны 8,1мм составляла около 4Вт. Гораздопоздпее в 90-х годах былп предложены еще несколько схем оротронов [13].Больщой интерес к излучению Смита-Парселла вновь возник в 80-х годах, когдабыла нредложена схема лазеров на свободных электронах, основанная на этомэффекте [14-24]. Детальное изучение эффекта Смита-Парселла может привести ксозданию компактного генератора излучения в инфракрасном и субмиллиметровомдиапазонах.в 1984 году группой исследователей Тель-Авивского Университета былаопубликована статья [15] с результатами исследования угловых характеристикизлучения Смита-Парселла.В эксперименте был использован электронный микроскоп "Philips ЕМЗОО" спараметрами пучка: ток - 0,25 мкА, диаметр в фокусе 200 мкм, расходимостьюменьше чем 1 мрад, энергией пучка 60, 80, или 100 кэВ (р=0,443; 0,503 и 0,560соответственно). Использовалась алюминиевая решетка с размерами 2,5x2,5 см., счислом 1800 линий на миллиметр. Коллимированное излучение детектировалось припомоши фотоумножителя "Hamamatsu R-936". Измерения проводились для п=2второго порядка дифракции и исследовалась зависимость выхода излучения от углов9 и Ф (рис.В2). В этом случае дисперсионное соотношение принимает вид:D сЯ„ = ( cos в sin Ф),п V,,(3)В эксперименте угол Ф менялся в диапазоне углов от О" до 90". угол 6 устапавливали90", 113", 10б" На (рис.В4,В5) показаны основные экспериментальные результаты ихработы.P(pW;0 0 040 30 20Рис.В4 Мощность выхода излучения в зависимости от угла Ф для различныхзначений угла 9 [15].P(pW)2.03.0О120''ЮОкэВt .,.,.» _..^,,по" 100* 90" 80' еРис.В5 Мощность выхода излучения в зависимости отизменяющегося угла 6 [15J.ELECTRONGUNGRATINGВ работе авторы сделали основной упор на проверку теоретических моделейСалисбери [4] и Ван ден Берга [8J. Авторы получили хорощее согласие междуэкспериментальными данными и расчетами по теории Ван ден Берга [8]. Механизмизлучения, предложенный Салисбери. был проанализирован и показано несовпадениепредсказапного и измеренного выхода мощности излучения.В 1989 году группа калифорнийских исследователей публикует результатыработы по изучению эффекта Смита-Парселла [16-21] с помощью установкипоказанной на рис.Вб. Основной вывод работы сводится к утверждению, чтомалогабаритные установки сиспользованием перелятивистскихэлектронных пшиков позволятсоздать \ источникмонохроматическог^к^_^излучения срегулируемой длинной волны.Используя оптические фильтры иизменяя полярный угол наблюдения,они показали полное совпадениеизмеренной длины волны излученияс расчетом по дисперсионномусоотнощению (1)._SELECTRON \BEAM XY STAGEWINDOWFILTERРис.Вб Схема установки [16-21].8Эксперимент проводился с помощью небольшой электронной пушки исистемы фокусировки пучка, помешенной в камеру размером приблизительно60х60х90см. Установка могла обеспечить пучок электронов с током до 30 мЛ иэнергией до 150 кэВ. Исследование характеристик излучения проводилось достаточнооригинальным способом. Сам фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) не перемешалсяпри измерении зависимости мошности излучения от полярного угла, вместо негоперемешался зонд, соединенный с ФЭУ при помоши оптоволоконного кабеля. Такимобразом, они решили сразу ряд проблем: ФЭУ теперь не реагировал на рассеянныйсвет от катода; не фиксировалось тормозное излучение, получаемое рассеяннымиэлектронами.Решетка с периодом 0,556мкм., используемая в этих измерениях, былаполностью изготовлена из никеля Ni (тугоплавкий материал по сравнению с ранееиспользуемым алюминием). Период решетки составлял -0.556 мкм. Использовалсяфотоумножитель Hamaniatsu-R666 с GaAs(Cs) фотокатодом, спектральнаячувствительность которого лежит в диапазоне (0.185-0,91 мкм). На рис.В7 показаназависимость длины волны излучения для решетки с периодом 0,556мкм и энергиипучка электронов ЮОкэВ (Р=0,55) от угла наблюдения.ELECTHON BEAM100 KeV. С' - 0 . 5 5Рис,В7 Угловое распределение излучения Смита-Парселла [16-21].Для периода решетки D=0,5MKM, энергии электрона Р=О,55, плотностиэлектронного пучка п=2х10^электрон/см"'. и угла наблюдения 0=75*', теоретическийрасчет дал оценку мошности излучения Ртеор=6х10"'" Вт/см"-стерад по сравнению сизмеренной мошностью ЗОмкВт/см^-стерад. Измеренная мошность оказалась в 5x10'*Л р ' , ' ! ! i l lРис.В8 Схема экспериментальнойустановки на базе электронногомикроскопа [22].раза больше чем расчетная мощность. Вработах [20-21] авторы предложили модель,которая могла бы описать полученныерезультаты, однако до сих пор предложеннаямодель не проверялась экспериментально.Следует указать, что работы поисследованию эффекта Смита-Парселлапроводились не только в оптическом диапазонедлин волн, но также и в инфракрасном. В 1997году опубликованы результаты исследованийдля диапазона длин волн от 30 до 1000 мкм[22]. Экспериментальная установка быласоздана на базе электронного микроскопа.Установка обеспечивала цилиндрический пучокэлектронов энергией 20-40кэВ. диаметромоколо а20мкм в фокусе и током <1мА. Использовались решетки прямоугольногопрофиля с периодом от 128 до 308 мкм. Детектирование излучения проводили подуглом В=90" к поверхности решетки при помоши интерферометра Майкельсона.Схема экспериментальной установки приведена на рис.В8.Длины волн, соответствующие пиковым сигналам, измеренные с помощьюмонохроматора, находятся в хорошем согласии с предсказанным дисперсионнымсоотношением (1) (см. рис.В9).К 800 [• л 128• 17;j• 254/ 1•100 i200 -100 ' JOO SO'JPiic.B9 Длины волн, соответствуюшие пиковым сигналамдля различных энергий пучка от 20-40кэВ, показанызначками. Сплошная линия теоретический расчет [22].10Кроме того, сеточпый поляризатор использовался, для того чтобыподтвердить, что излучение поляризовано. Показано согласие эксперимента и расчета,по модели Ван-ден-Берга для мощности излучения. Расчетное значение мощности8пВт/(мкА-см"') разумно согласуется с экспериментальным для 100-200 мкА пучка 100 пВт.Одной из последних работ по изучению эффекта Смита-Парселла можноназвать исследование, проведенное японской группой [23] (см. рис.В10). Изучениеизлучения Смита-Парселла проводилось в диапазоне длин волн от 350^750 нм. Вэксперименте использовалась установка па основе ускорителя Ван де Граафа. котораяобеспечивала электронный пучок с током более 10 мкА и энергией до 45 кэВ (или стоком 5 мкА и энергией 80 кэВ). Решетки использовались с периодом 0.56 и 0.83 мкм.Рис.ВЮ Блок схема экспериментальной установки: 1 датчикизмерения напряжения ускорителя Ван де Граафа; 2 системауправления ускорителем: 3 спектрометр; 4 ишговый двигатель;5 система управления шаговым двигателем; 6 ФЭУ [23].11Было показано, что для низкоэнергетических пучков с небольшими токами требуетсяприближать пучки к решетке как можно ближе, чтобы зафиксировать эффект. Но приэтом возникает переходпое излучение, появляющееся при касании электроновметаллической поверхности решетки.Пример измеренного спектра показап на рис.ВП. Здесь показаны спектры вдиапазоне длин волн от 300 до 800 нм для энергий пучка 35 кэВ. 60 кэВ и током 10мкА. 2 мкА соответственно. Ширина спектрального разрешения монохроматорасоставляла примерно 20 нм. Калибровка системы проводилась He-Ne лазером.300 400 500 600 700Wavelength (nm)800Рис.ВП Спектр излучения Смита-Парселла,измеренный в эксперимепте [23]. Здесь же показанспектр Пе-Ne лазера (правый пик).Для низких энергий электронов и оптических длин волн интенсивность излучения,генерируемого электронным нучком, проходяшим возле поверхности решетки,быстро ослабляется, если расстояние между пучком электронов и решеткойувеличивается, что хорошо видно из формулы (2).Оценка мощности излучения Смита-Парселла в большинстве экспериментахс пучками электронов, касаюшихся поверхности решетки становится возможной, еслиотделить полезное излучение СП и конкурируюший механизм, например переходноеизлучение, генерируемое электронами, взаимодействуюшими с материалом решетки.Для релятивистских энергий, расстояние между пучком электронов и поверхностью12решетки можио увеличить и избежать фоновых излучений, появляюшихся привзаимодействии электронов с иоверхиостыо решетки.Целью эксиеримеитов, представленных в диссертации [24], являлосьисследование характеристик излучения СП ультрарелятивистских электронов сэнергией 855 МэВ. Излучение геиерировалось ири помош.и электроиного пучка,получаемого на Микротроне MAMI. Излучение СП в видимом спектральномдиапазоне отделялось от фоновых компонент, таких как синхротроиное и персходиоеизлучение. Последнее излучалось, когда электроны взаимодействовали с материаломреи1етки. Интенснвность излуче1Н1я СП сравнивалась с теоретическими расчетами,основанными на теории Ван-ден-Берга и скалярной моделью, развитой в цитируемойработе.В месте расположения решетки пучок электронов эиергией 855МэВфокусировался до размера Дг=2мкм в фокусе.Детектируюшая система состояла из фотоэлектронного умножителя (РМ,Hamamatsu R647-P), линзы вместе со шелью, задаюшей угловое разреиюние системы,и стеклянного цветного фильтра, задаюи1его спектральное разрешенне с ннтерваломдлин волн примерно A?t=313color glassfilterA = 3ftOnm. 546 nmДЛ- 30nm{FWHM)lensef = 20 mmslit 1 mmРис.В12 Схема экспериментальной установки [24].Расстояние между линзой и решеткой составляло 195мм. На врезке рис.В12показана апертура шели в перпендикулярном направлении к пучку электронов. Двеизмерительных системы были установлены на штанге врашаюшегося спектрометрапод углом Ф=90". позволяюшей одновременно измерять выход излучения с длинамиволн >^=360нм и ?L=546HM.В эксперименте решетки устанавливались на фиксированных расстояниях d поотношению к пучку, а спектр измерялся при изменяющемся угле Э. Для исследованиязависимости от расстояния d, решетка передвигалась с шагом, задаваемымгониометром, по отнощению к пучку электронов.На рис.В13. показано угловое распределение излучения СН. полученное вэксперименте для длин золи ^=36()нм и А.=546нм. На рисунке показано положениемаксимумов, которые находятся в хорощем согласии с расчетом из уравнения (1). Наследующем этапе измерялась интенсивность как функция от расстояния d, котораяописывается экспоненциальной зависимостью (2).14100 110 12060 70 80 90 100 110РпсЛИЗ. Экснернментальиая интенсивность фотонов взависимости от угла наблюдения 9. Измерения выполненыдля рен1етки с периодом О,833нм иа расстоянии (1=127мкммежду пучком электронов и поверхностью решетки.Пунктириые вертикальные линии - расчетиые значениядля дифракнионных порядков | п| =1, 2, 3 [24].Интенсивность максимума в зависимости от расстояния d ноказана нарис.ВИа. Для расстоя1П1я d>25MKM интенсивиость излучения СП для обеих длин волиуменьшается экспоненциальио 1ю закону Pn=Aexp(-d/A), где ностоянная Л находиласьподгонкой. На рис.В14Ь иоказан ток вторичной эмиссии. Сравнение излуче1И1я вдиапазоне расстояний от 0
var container = document.getElementById('nativeroll_video_cont');
if (container) {
var parent = container.parentElement;
if (parent) {
const wrapper = document.createElement('div');
wrapper.classList.add('js-teasers-wrapper');
parent.insertBefore(wrapper, container.nextSibling);
}
}