CN105425277B - 一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪，包括准直孔阵列、圆筒形磁体装置和正负电子记录介质，其中：准直孔阵列用于向圆筒形磁体装置中通入正负电子；圆筒形磁体装置包括外壳和内壳，以及固定在外壳与内壳之间、并且呈放射状分布的永磁铁；所有的永磁铁所包围的空间形成一个正负电子运动方向发生偏转的磁场回路；正负电子记录介质用于记录正负电子在成像平面的强度分布，得到正负电子的角分布及其能谱信息。本发明结构合理、设计巧妙，其很好地解决了现有磁谱仪测量精度低、调整测量范围耗时长的技术缺陷，大幅提高了对正负电子角分布能谱的诊断精度，因此，本发明适于推广应用。

Description

一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪
技术领域
本发明涉及粒子探测领域，具体涉及的是一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪。
背景技术
美国物理学家安德森在1932年利用威尔逊云室发现了正电子的存在。正电子是人类发现的第一种反物质。银河系每秒钟产生的正电子个数约为1.5*1043，相当于巢湖水中的电子总数。因此，正电子在实验室天体物理与高能物理的研究占有重要作用。此外，基于正负电子湮灭产生高能伽玛射线这一物理现象，也被广泛应用于物质缺陷的无损探测以及正电子发射断层扫描（PET）等技术。
利用超短超强激光与物质相互作用可以产生正电子。超短超强激光与高Z固体靶的相互作用将产生大量超热电子；这些电子在固体内受到来自原子的库仑力，运动方向和速度发生改变产生轫制辐射；当轫制辐射产生的伽马射线从原子核旁通过时，在原子核的库仑场作用下，伽马射线转化为一个正电子和一个电子。由于电子与产生的正电子在固体内部会经过多次库伦散射，最终导致透射出高Z固体靶后表面的电子和正电子发散角很大，大约20°~40°量级。这些正电子能量在5~50MeV量级，产额108~1010。从靶背透射出的正负电子具有如此大的发散角和能散导致对正负电子角分布以及在这些方位角中能谱诊断的困难。
目前国际上对正负电子电子角分布及其能谱的诊断是采用3台正负电子磁谱仪，分别在3个方位同时测定正负电子的数目以及能谱，然后再通过数据拟合得到正负电子的角分布特性及不同方位角中的能谱特性。这中测量方法有以下两大不足之处：
（1）只测定3个方向的正负电子数据拟合出角分布曲线，此曲线的相对误差非常大，难以估计其精度；
（2）正负电子磁谱仪横向尺寸一般为100~150mm，同时测定3个方向的角分布和能谱数据时，每个磁谱仪所占的横向发散角为：
所占发散角=2*arctan（（横向尺寸/2）/磁谱仪到靶距离）
当限定每个磁谱仪所占发散角为15°量级时，磁谱仪到靶距离必须大于400mm。距离越远进入磁谱仪中粒子数越少，测量精度越低。
因此，得到更多方位的角分布与能谱数据，以及尽可能地使磁谱仪接近固体靶，使更多的正电子进入磁谱仪，将可以大幅提高对正负电子角分布能谱的诊断精度。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪，其可以大幅提高对正负电子角分布能谱的诊断精度。
为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：
一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪，包括准直孔阵列、圆筒形磁体装置和正负电子记录介质，其中：
准直孔阵列，用于向圆筒形磁体装置中通入正负电子；
圆筒形磁体装置，包括外壳和内壳，以及固定在外壳与内壳之间、并且呈放射状分布的永磁铁；所有的永磁铁所包围的空间形成一个正负电子运动方向发生偏转的磁场回路；
正负电子记录介质，用于记录正负电子在成像平面的强度分布，得到正负电子的角分布及其能谱信息。
具体地说，所述准直孔阵列由九个竖直排列的准直孔组成。
进一步地，所述永磁铁的数量为十二瓣，且所有磁铁各自的磁极化方向依次为90°、150°、210°、270°、330°、30°、90°、150°、210°、270°、330°、30°。
作为优选，所述永磁铁为钕铁硼磁铁。
再进一步地，所述准直孔阵列紧贴于圆筒形磁体装置的一侧。
更进一步地，所述正负电子记录介质与圆筒形磁体装置的轴线呈锐角关系，且该正负电子记录介质的近边与圆筒形磁体装置的平面距离为30～40mm。
作为优选，所述正负电子记录介质为IP或者荧光屏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明结构合理、设计巧妙、使用方便。
（2）本发明通过设计圆筒形磁体装置，在结合准直孔阵列和正负电子记录介质后，可以有效获得某一特定发散角范围内的正负电子，并使正负电子的运动方向发生偏转后获得正负电子在成像平面的强度分布，从而得出不同方向的能谱信息。本发明不仅测量方向多（准直孔阵列），而且测量精度更高（本发明距离靶点距离120~150mm，通过每个准直孔的正负电子数量为现有技术的（400/120）2≈11倍）。
（3）现有技术如果要调整测量范围，需要移动三台磁谱仪，工作量大，而本发明可以任意调整发散角的接收范围从-22.5°+θ至22.5°+θ，θ为任意角度，仅需移动一台磁谱仪，节约了大量的瞄准时间。
（4）本发明在圆筒形磁体装置中的外壳与内壳之间设置了十二瓣永磁铁，并以放射状的形式进行分布，然后各瓣永磁铁的磁极化方向分别为90°、150°、210°、270°、330°、30°、90°、150°、210°、270°、330°、30°，如此设置，既可以使各瓣永磁铁之间产生作用力，形成一个可以有效使正负电子运动方向发生偏转的磁场区域，又可以在外壳与内壳的固定下避免永磁铁由于引力或斥力而发生错位。
（5）本发明采用钕铁硼磁铁作为产生磁场的介质，其具有优良的机械特性，并且是目前具有最强磁力的永久磁铁，因此，非常适合用在本发明技术中。
（6）本发明性价比高、适用范围广，其不仅限于对正负电子的角分布及其能谱测量，对具有大发散角的质子同样适用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明-实施例中每瓣磁铁的磁化方向与锥筒内产生的磁场方向示意图。
图3为本发明-实施例中一种正电子角分布及其能谱测量的仿真示意图。
图4为本发明-实施例中另一种正电子角分布及其能谱测量的仿真示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-准直孔阵列，2-外壳，3-永磁铁，4-内壳，5-正负电子记录介质。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种磁谱仪，其包括准直孔阵列1、圆筒形磁体装置和正负电子记录介质5。所述的准直孔阵列1用于通入从靶点产生的正负电子，本实施例中，准直孔阵列1由九个竖直排列的准直孔组成，并且紧贴于圆筒形磁体装置的一侧（入口），九个准直孔中心坐标分别为：0mm、±10.5 mm、±21.2 mm、±32.2 mm、±43.7 mm,所对应的发散角分别为0、±5.625°、±11.25°、±16.875°、±22.5°，各准直孔直径为4mm。正负电子经过准直孔阵列1后只有特定几个方向的正负电子进入圆筒形磁体装置。
所述的圆筒形磁体装置用于产生磁场，并使进入的正负电子的运动方向发生偏转，具体地说，该圆筒形磁体装置包括外壳2和内壳3，以及固定在外壳2与内壳3之间、并且呈放射状分布的永磁铁4。各瓣永磁铁之间会产生相互的作用力，因此，外壳2与内壳3的设置还可用于防止各永磁铁之间因为引力或斥力而导致错位。如图2所示，本实施例中，外壳2与内壳3均由铝合金材料制成，而永磁铁为钕铁硼磁铁，其剩磁约为1.37T，并且数量为十二瓣，所有的永磁铁的磁极化方向依次为90°、150°、210°、270°、330°、30°、90°、150°、210°、270°、330°、30°，所有的永磁铁所包围的空间形成一个可使正负电子运动方向发生偏转的磁场回路。
所述的正负电子记录介质5用于记录正负电子在成像平面的强度分布，通过这些强度信号可以得到正负电子的角分布及其能谱信息。本实施例中，正负电子记录介质5为IP或者荧光屏，IP数据的读取需要在IP读数仪上进行，为离线式测量，测量精度更高；荧光屏为在线测量，实时显示测量数据，测量精度低于IP。在实验中根据需求选择记录介质材料。
此外，为保证能谱有足够的能量分辨率，正负电子记录介质5与圆筒形磁体装置的轴线呈锐角关系，且该正负电子记录介质5的近边与圆筒形磁体装置的平面距离为30～40mm。
下面以一个实验案例对本发明的使用过程进行说明。
由超强激光驱动固体靶产生正电子的实验中，将准直孔阵列1置于固体靶后方120mm处，圆筒形磁体装置紧贴准直孔阵列1，正负电子记录介质5的平面与圆筒形磁体装置的轴线呈45°关系，且正负电子记录介质5的近边与圆筒形磁体装置出口平面距离为35mm，根据正负电子能量的不同，正负电子记录介质5的方位可以进行适当调整。
正负电子在进入磁场区域前首先通过准直孔阵列1，通过后再进入到圆筒形磁体装置中。正负电子在圆筒形磁体装置产生的磁场中受到洛伦兹力的作用，运动方向发生偏转，然后由正负电子记录介质5记录正负电子在成像平面的强度分布，最后得出正负电子的角分布及其能谱信息。
针对能量在2.5MeV~7.5MeV，发散角处于±22.5°范围内的正电子的角分布及其能谱测量仿真结果如图3、4所示。
本发明通过设计一种全新的正负电子磁谱仪，很好地解决了现有磁谱仪测量精度低、调整测量范围耗时长的技术缺陷，为有效采集到正负电子在成像平面的强度分布信号、得到正负电子的角分布及其能谱信息提供了保障。可以说，本发明虽然结构设计不复杂，但是其巧妙地突破了现有技术的束缚，实现了创新，从而将磁谱仪的设计提升到了一个新的高度。因此，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪，其特征在于，包括准直孔阵列(1)、圆筒形磁体装置和正负电子记录介质(5)，其中：
准直孔阵列，用于向圆筒形磁体装置中通入正负电子；
圆筒形磁体装置，包括外壳(2)和内壳(3)，以及固定在外壳(2)与内壳(3)之间、并且呈放射状分布的永磁铁(4)；所有的永磁铁所包围的空间形成一个正负电子运动方向发生偏转的磁场回路；
正负电子记录介质，用于记录正负电子在成像平面的强度分布，得到正负电子的角分布及其能谱信息；
所述准直孔阵列(1)由九个竖直排列的准直孔组成，且所述准直孔阵列(1)紧贴于圆筒形磁体装置的一侧；
所述永磁铁为钕铁硼磁铁，且永磁铁的数量为十二瓣，且所有磁铁各自的磁极化方向依次为90°、150°、210°、270°、330°、30°、90°、150°、210°、270°、330°、30°；
所述正负电子记录介质(5)与圆筒形磁体装置的轴线呈锐角关系，且该正负电子记录介质(5)的近边与圆筒形磁体装置的平面距离为30～40mm；
2.根据权利要求1所述的一种具有角分辨能力的正负电子磁谱仪，其特征在于，所述正负电子记录介质(5)为IP或者荧光屏。
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