激光测量电子束电流密度的方法
专利汇可以提供激光测量电子束电流密度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 电子 束 电流 密度 的测量方法。本方法是通过激光穿过电子束，光程会发生随电子束密度(折射率)改变的现象，采用标准的干涉光路，测量光程差，通过计算得出电子束密度，进而得到电流密度。本发明进一步丰富了电子电流密度的测量方法，并具有时间 分辨率 ，同时也获得了电子束密度。，下面是激光测量电子束电流密度的方法专利的具体信息内容。
1、一种电子束电流密度测量方法，其特征在于其步骤为采用激光穿过电子束，测量探 测光束和参考光束的相位差，根据电子束的色散关系，电子束密度和折射率的关系，继而得 到电子束密度，以及电流密度。
2、根据权利要求1所述的电子束电流密度测量方法，其特征在于所用的激光为远红 外波长的激光束。
3、根据权利要求1所述的电子束电流密度测量方法，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；
这里，
其中，x1为参数信号，x2为探测信号，A1、B1和A2、B2分别为x1和x2的系数，ω为激 光电磁波的角频率，Δω为激光经转动光栅产生的Dopple频移，R为光栅干涉仪的光栅半 径，d为光栅条纹宽度，N为光栅每秒转动的周数，为激光束经过电子束后引起的相移。
4、根据权利要求3所述的电子束电流密度测量方法，其特征在于由下式
求得电子束密度ne(z)，
其中，λ为激光波长，单位为μm，(z2-z1)为激光束在电子束中的光程，单位为cm。
5、根据权利要求4所述的电子束电流密度测量方法，其特征在于电子电流密度为：
ψ＝neqv (17)
ne是电子束密度，q是电子电荷，v是电子速度。
6、根据权利要求5所述的电子束电流密度测量方法，其特征在于对于单道测量，所 述的电子束密度取平均密度：
c是常数；
对于多道测量，所述电子束密度ne为
技术领域
本发明属于电子束诊断技术领域，具体涉及一种激光测量电子束密度，进而测得电流 密度的方法。
背景技术
发明内容
本发明提出的激光测量电子束电流密度的方法，其步骤是用激光穿过电子束，测量探 测光束和参考光束的相位差，根据电子束的色散关系，电子束密度和折射率的关系，得到电 子束密度，以及电流密度。
本发明方法的理论基础为：电磁波通过电子束时，电子束的折射率将改变电磁波的相 位。对于确定频率的电磁波，折射率为电子密度的线性函数。再由电流密度与电子密度的关 系，得到电流密度。
激光是一种很稳定的、可控制、可测量的电磁波。用激光干涉方法可以测量光的相位， 从而确定电子束的折射率，再根据电子束的色散关系，容易得到电子束密度(电流密度)与 折射率的关系。
其中λ是激光波长(μm)，(z2-z1)是激光在电子束中的光程(cm)，ne(z)电子束密度 (cm-3)，是相移，单位是rad。
在本发明中，电磁波选自高相干性的激光束。在各种激光束中，又以远红外激光最适 合。因此，激光器采用连续辉光放电的远红外激光器。
对于EBIT装置，远红外激光波长最适合于电子束密度的测量，单道远红外激光干涉仪 能够测量电子束线平均密度，利用多道远红外激光干涉仪测量到的多道线密度，进行Abel 反演，即可获得电子束密度，进而得到电流密度。
本发明提出的测量电子束密度(电流密度)的方法，稳定性好，操作方便，具有时间分 辩。
具体实施方式
设测量的参考信号为x1，探测信号为x2，可表示为：
x1＝[A1 cos(ω+Δω)t+B1 cosωt]2 (2)
x2＝[A2 cos(ω+Δω)t+B2 cos(ωt+)]2 (3)
A1、B1、A2、B2是常数，ω是激光电磁波的角频率，Δω是激光经转动光栅产生的Dopple频移。 为光束经过电子束后引起的相移，即我们要求的量。由(2)、(3)式得
x1＝A1 2cos2(ω+Δω)t+B1 2cos2ωt+A1B1[cos(2ω+Δω)t+cosΔωt] (4)
x2＝A2 2cos2(ω+Δω)t+B2 2cos2(ωt+)+A2B2[cos(2ωt+Δωt+)+cos(Δωt-)] (5)
实际上，探测器来不及响应高频变化，所以x1和x2取：
x1＝A1B1cosΔωt (6)
x2＝A2B2cos(Δωt-) (7)
令＝ΔωΔt，则
x2＝A2B2cos[Δω(t-Δt)] (8)
比较(6)、(8)两式，可以求出Δt，从而求出。
其中
式中f为激光频率，R为光栅半径，c为光速，N为光栅每秒转动的周数，d为条纹宽 度，G＝2πR/d为光栅总条纹数。可见，调节光栅转速即可得到所需的频率Δf和Δω。
对于单道测量，引入平均电子束密度 为
代入(1)式得
式中，c是常数。
对于多道测量，令线积分密度为
把z1，2＝±(a2-y2)1/2和 代入(14)式，则有
其中a为电子束半径。(15)式就是著名的Abel积分方程，它的解是
由测量到的线密度多道信号，就得到了电子束密度分布。
电流密度ψ为：
ψ＝neqv (17)
ne是电子束密度，q是电子电荷，v是电子速度。
测量实例：
众所周知，在高斯束传输理论中，当直径为d的高斯光束通过孔径为D的光学元件时， 其功率传输：
式中P0是入射功率，PD是光束通过光学元件后的出射功率。当取D≥2d时，将会有98％以 上的光能通过。本系统所有光学元件有效通光口径取D＝2.2d。系统整个光路均按高斯束 传输理论计算，并按e光模式传播。Dopple频移取115Hz。所有反射镜均用K8玻璃基片镀 铝。相干光源为HCN分子气体波导激光器(λ＝337μm)，在工作气体(N2∶CH4∶He)混 气比为1∶2.6∶6条件下，工作电流为1.4A时可获得稳定的单模输出功率约53mW。
差拍探测采用热释电探测器，采用低噪声运放、带通滤波及低阻抗输出。参考光束 和探测光束经探测器接收后，经过前置放大、滤波，分别进入相位差计的两输入端，两路 信号经过零比较、时钟计数，再经过数模转换、放大后即可求得所要测量的相移，从而 求出电子束平均密度和电流密度。
在第237次实验中，在装置放电后1.7s时刻，参考光束和探测光束两路信号经过零比 较后，得到
Δt＝2.2μs
代入＝ΔωΔt得到相移
＝1.6×10-3rad
代入(13)-(16)式得到电子束密度
ne＝1.6×1012cm-3
代入(17)式得到电流密度：ψ＝2000A/cm2
(其中，在电子束能量为15keV时，电子速度v＝7.27×107[m/s])
传统的电流密度测量方法是用电流除电子束截面，本方法进一步丰富了电子束电流密 度的测量方法，并具有时间分辩。同时也给出了电子束密度。
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