Способ получения импульсного пучка поляризованных электронов

 

Изобретение относится к технике генерации ионизирующих излучений. Цель изобретения - упрощение способа получения импульсных пучков поляризованных электронов . Изобретение предусматривает воздействие на электроны, накопленные на поверхности диэлектрика, ориентированными перпендикулярно поверхности электрическим и магнитным полями. Величину индуктивности магнитного поля выбирают такой, чтобы энергия теплового движения спинов накопленных электронов была меньше разности энергий спинов, ориентированных вдоль и навстречу масштабному полю. Приводятся выражения для расчета напряженности электрического и магнитного полей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. И

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 01) (si)s Н 05 Н 7/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

934 1(Ылй9Д ;.-ф

0 ГЕ А

I (21) 4699658/21 (22) 05,06.89 (46) 30:01.91. Бюл. М 4 (72) В.П.Ефимов, А.М.Шендерович и В.В.Закутин (53) 621.384.6(088.8) (56) Войпрант и др. Применение источника поляризованных электронов на основе эффекта Фано для исследования рассеяния электронов малых энергий на атомах, — ПТИ., N.5,,1978, с. 1— - 121.

Авторское свидетельство СССР

N 1566520, кл. Н 05 Н 7/00, 20.09.88. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО

ПУЧКА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕKTPOНОВ

Изобретение относится к методам получения пучков поляризованных частиц и может быть использовано при создании источников поляризованных электронов для . ускорителей.

Целью изобретения является упрощение способа получения импульсного пучка поляризованных электронов.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для реализации способа; на фиг. 2 приведена зависимость потенциала рот Z.

Способ получения импульсного пучка поляризованных электронов осуществляют следующим образом.

На плоскую поверхность 1 диэлектрика (фиг. 1), расположенную в плоскости ХУ, помещают электроны, что можно сделать, например, электризацией трением либо с помощью вспомогательной электронной пушки 2, из которой на поверхность диэлектрика направляют пучок 3 электронов низ(57) Изобретение относится к технике генерации ионизирующих излучений. Цель изобретения — упрощение способа получения импульсных пучков поляризованных элек- тронов. Изобретение предусматривает воздействие на электроны, накопленные на поверхности диэлектрика, ориентированными перпендикулярно поверхности электрическим и магнитным полями. Величину индуктивности магнитного поля выбирают такой, чтобы энергия теплового движения спинов накопленных электронов была меньше разности энергий спинов, ориентированных. вдоль и навстречу масштабному .полю. Приводятся выражения для расчета напряженности электрического и магнитного полей, 2 з.п. ф-лы, 2 ил. кой энергии. В области локализации электронов создают ма .нитное поле (В на фиг. 1), перпендикулярное поверхности диэлектрика. При наличии магнитного поля возможны два состояния поляризации электрона: со спиновым магнитным элементом, направленным вдоль магнитного поля, и с противоположно направленным спиновым магнитным моментом. П рвое состояние является энергетически более выгодным, и при выборе величины магнитного поля, при которой разность энергий этих состояний больше энергии теплового движения спинов электронов, практически все электроны перейдут в это состояние через время, равное времени релаксации спинов в магнитном поле, т.е. степень поляризации наклонных электронов будет близка к 1007;.

Создавая после этого электрическое поле (E на фиг. 1), перпендикулярное поверхности диэлектрика, можно снять эти электроны с

1624713 где К, E — полные эллиптические интегралы соответственно первого и второго рода, Пользуясь соотношением е Р(21) =е р(ег) =еп (6)

5 и формулами (1) и (3), определим Z1 u Zz.

Подставляя их значения в (5), получим

D - ехр (- — е — Пк+

16 v2

-(г- =г х х (Е(15 к — 1

20 — о (ге )4 (8)

Вероятность прохождения частицы через барьер за время определяется, как известно, следующим соотношением

25 (9) где f — частота колебаний, с, электрона к потенциальной яме (3), которая, как легко показать, для частицы с энергией ее равна

4у27 2 (10) и ге

Подставляя (8) и (10) в (9), получим

4ж 2 ст (ге)з

2 2 п ге

35 (г /к- Г) „

К к (E(40 е т е }

45

az (4) гдето- постоянная планка, Дж с; с — скорость света, м/с; 50 величины Z1 и Zz показаны на (риг. 2, Подставляя потенциал(3) в(4) и проводя интегрирование, получим

)(ЕхР - К

16 /2

-(1 — " )»

К а (Е(1к-г

11+: л (12) поверхности диэлектрика и сформировать из них пучок поляризованных электронов. . Практически это сделать легко, так как магнитное поле, перпендикулярное поверхности диэлектрика, направлено вдоль траектории этого пучка, Частота повторения импульсов тока пучка определяется временем релаксации спинов, которое в рассматриваемых условиях не превышает

1 0-3

Величина электрического поля, требуемая дпя получения пучка поляризованных электронов заданной интенсивности, определяется следующим образом.

Энергетические уровни электрона на поверхности диэлектрика описываются следующим соотношением: п =-, () (1) где и — главное квантовое число (и =

=1,2,3, ...);

r, — классический радиус электрона, м:

Лс — комптоновская длина волны, м;

eo — энергия покоя электрона, Дж; е — 1

Z --(- — --, и — диэлектрическая постоянная диэлектрика.

При этом потенциал изображения имеет вид

У=

2 е

Z (2)

При наличии электрического поля Е, нормального к поверхности диэлектрика, P = — Z — Eoz, Ъ (3) где Ее — напряженность электрического поля, В/м.

Зависимость потенциала от Z показана на фиг. 2 при отсутствии (пунктир) и наличии (сплошная кривая) электрического поля.

При наличии электрического поля прозрачность барьера 0 для электрона с энергией е„ как известно, равна

D -ехр(- /2 е, E уг ((ZI +Ег} х

4 х E(Zx к1 } 2Z,)т((Е-«}j)(g) 22 Z1 к к(г ) (7) к ехр (— —. — лк)) ) + к — к

16 1/2 или для электрона в основном состоянии

A= l

4тг 2 ст. (ге )з

2 2 ге

1624713

Если на поверхности диэлектрика было накоплено N электронов, то число электронов в пучке 4 (фиг, 1), очевидно, равно Р1М, т.е. импульсный ток этого пучка

Pi Ne (13) т

Следовательно, для получения импульсного тока пучка поляризованных электронов, равного 1, должно выполняться условие

4x Z cN ге 3 с ) °

{ — — — — ° 7=

16 v2 к 15

{ (>-(-{ = ) °

20 — )) е

К( (14) Рассмотрим пример практической реализации предлагаемого способа.

Пусть на поверхность оргстекла с е =

=2,2 площадью 10 м (1 на фиг. 1} из электронной пушки 2 направляют электронный пучок 3 с током 0,2 мА и энергией электронов, например, 100 эВ. За время 10 с на поверхности диэлектрика накопится заряд

2 10 Кл, т.е, N1,,2 10 электронов. К диэлектрику прикладывают магнитное поле, перпендикулярное его поверхности. При этом энергетические уровни электронов расщепляются. Энергетически более выгодным является состояние, в котором спиновый магнитный момент электрона параллелен внешнему магнитному полю. 40

Поэтому see электроны через время, равное времени релаксации спинов, перейдут в это состояние при условии, что энергия теплового движения меньше разности энергий указанных энергетических уровней. Энергия теплового движения, приходящаяся на одну степень свободы, равна, как известно — kT, а разность энергий спина электрона в

1 магнитном поле — 2 р В. Поэтому переход в наиболее выгодное энергетически состояние произойдет при условии

2,и В > 1/2kT (15) или

В > (16)

4р

Например, при Т =- 10 К, В > 3,7 Тл, После накопления электронов на поверхности диэлектрика через время, равное времени релаксации их спинов, можно

Определим степень поляризации пучка поляризованных электронов в рассматриваемом примере. Согласно основным свойствам спиноров для электрона с направлением спина под углом 0 к направлению магнитного поля вероятность обнар жить спин в направлении поля равна

cos, а в противоположном направлении г —:sin . Следовательно, степень поляриза2 ции этого электрона в направлении поля 0 О

cos sion - = со$0 (17) Считая, что кристаллиты в поликристалле расположены хаотически, определим степень поляризации электронов, усредняя выражение (17) включить электрическое поле для их "отрыва" от поверхности. Пользуясь формулами (14) и (8), найдем требуемую для этого величину электрического поля. При рассмотренных выше условиях (E= 2,2, N = 1,2 10

1З расчет показывает, что для получения импульсного тока пучка поляризационных электронов, например, 0,5 А требуется электрическое поле Е = 9,2 10 В/м. Получить

6 электрическое поле такой напряженности не составляет труда.

В случае накопления электронов на поверхности ферродиэлектрика с кубической кристаллической решеткой величину индукции магнитного поля, перпендикулярного поверхности ферродиэлектрика, выбирают равной индукции его насыщения, Для реальных ферродиэлектриков эти величины составляют обычно 0,15-0,45 Тл. Пусть на поверхности ферродиэлектрика, как и в предыдущем примере, накоплено с помощью электронной пушки (1 на фиг. 1) N =

=1,2 10 электронов за 10 с. Через время, равное времени релаксации спинов накопленных электронов, каждый из них будет ориентирован в направлении намагничивания ближайшего к нему кристаллита поликристалла. Этот процесс будет происходить при комнатной температуре и относительно небольших полях(0,15 — 0,45 Тл, как указано выше}, так как взаимодействие в случае ферродиэлектрика имеет вследствие обмен ного взаимодействия коллективный характер.

Расчет по формулам (14) и (8) показывает, что в данном случае для реальных параметров феррита электрическое поле, требуемое для получения импульсного тока пучка 0,5А, имеет величину порядка сотен киловольт на сантиметр.

1624713

Om 2Л

Р=

Pg d Q f cos Osin Od 0 f d P о о

° la

gQ Ви 2 г

f sinOdOJ dp о о

1-COs2O 2 Π— c0s —, 2 (18) 10

1. Способ получения импульсного пучка поляризованных электре нов, заключающийся в накоплении электронов на поверхности диэлектрика и воздействии на них 55 магнитным и перпендикулярным. к диэлектрической поверхности электрическим полем, отличающийся тем, что, с целью где сЯ- элемент телесного угла; б } — максимальный угол между направлением спина электрона и направлением магнитного поля, т.е. максимальный угол между осью легкого намагничивания кристаллита поликристалла и направлением внешнего магнитного поля.

Поскольку в к ическом кристалле имеются три оси легкого намагничивания, то каждый из кристаллитов будет намагничен 20 вдоль той из них, ко-орая отстоит от направления магнитного поля на наименьший угол, Легко видеть поэтому, что tg Om = V2

Π=54 40, cos — 0,79, .

Таким образом, в рассмотренном примере путем накопления электронов на поверхности поликристаллического ферродиэлектрика с кубической решеткой можно получить пучок электронов с импульсным током 0,5 А и степенью поляризации около

80 %, Более высокую степень поляризации можчо получить путем накопления электронов на поверхн сти монокристаллического 35 ферродиэлектрика. В этом случае, направляя магнитное и электрическое полл вдоль оси легкого намагничивания монокристалла, получим пучок электронов со степенью поляризации 00 (и с той же интенсивно- 40 стью 0,5 А), так как все электроны на поверхности диэлектрика по истечении времени релаксации спинов будут поляризованы в направлении оси легкого намагничивания.

На основе данного способа может быть 45 получен пучок электронов со степенью поляризации 100%, импульсным током пучка

0,5 А, частотой следования импульсов

100 Гц.

Формула изобретения 50 упрощения способа, магнитное поле ориентируют также перпендикулярно к поверхности диэлектрика, а величину его индукции выбирают такой, чтобы энергия теплового движения спинов накопленных электронов была меньше разности энергии спинов, ориентированных вдоль магнитного поля и в противоположном направлении, при этом электрическое поле возбуждают через время, превышающее время релаксации спинов электронов в магнитном поле, а величину напряженности Ео, В!м, выбирают из условия

4йе Z Ср ге 3 ге

Nexp(— — З—

16 /2 х (E(— (1 — } к — 1}

)) -

-к(8 — 1 где Z = -„- + „, я — диэлектрическая по4 я+1 стоянная диэлектрика;

С вЂ” скорость света, м/с;

re — классический радиус электрона, М;

4 — комптоновская длина волны, м;

N — число электронов; гадесZ ге 4 — е — (д- },

К, Š— полные эллиптические интегралы соответственно первого и второго рода;

I — требуемый импульсный ток поляризованных электронов, А; з — заряд электрона, Кл, 2, Способ по и. 1, о тли ч а ю щи йс я тем, что индукцию магнитного поля В, Тл, выбирают из условия

В >

4,и где k — постоянная Больцмана, Дж/К;

Т вЂ” температура диэлектрика, К; ,ы — магнитон Бора, Дж/Тл, 3. Споссб по и. 1, отличающийся тем. что накопление электронов осуществляют на поверхности ферродиэлектрика, а величину магнитного поля выбирают из условия намагничивания феррсдиэлектрика до насыщения.

1624713

Составитель Е; Громов

Редактор А. Маковская Техред M,Moðãåíòàë Корректор И. Муска

Заказ 204 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101