CN105826158B - 二维角分布质子谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维角分布质子谱仪，包括依次设置的质子筛选装置、电磁场装置以及质子探测装置，质子筛选装置包括二维点阵结构的入射孔阵列。本发明基于传统的Thomson质子谱仪，通过将Thomson质子谱仪的单个入射孔改进成入射孔阵列，能够同时测得质子束在不同方向上的能谱，进而获取质子的二维空间分布信息，从而大大提高获取质子束信息的能力。

Description

二维角分布质子谱仪

技术领域

本发明涉及质子谱仪，具体地，涉及二维角分布质子谱仪。

背景技术

1897年，汤姆逊将阴极射线穿过相互垂直的电场和磁场，发现阴极射线的本质是带负电的粒子，并称之为电子。这一划时代的发现证明了原子是可分的，从而打开了原子物理的大门。他在实验时所采用的装有电场、磁场的诊断方法也以其名字保留下来，命名为汤姆逊谱仪(Thomson Parabola Spectrometer)，是目前常用的测量离子能谱的诊断仪器。

传统的汤姆逊谱仪主要由三个装置组成：电磁场装置(磁场方向与入射离子运动方向相互垂直)、质子探测装置(通常是成像板IP或CR39)以及质子筛选装置(直径为200um到500um的单个入射孔)。高能带电离子从该单个入射孔进入磁场后，在电磁场装置所产生电磁场的作用下发生偏转，最后由质子探测装置接受信号，可以获得离子信号的能谱。对于理想的汤姆逊谱仪，带电离子经过电磁场后的轨迹满足如下关系：

其中，E为电场强度，B代表磁感应强度，m、q分别表示离子的质量、电荷，l是离子穿过电场和磁场区域的长度，D为场中心到探测屏的垂直距离，x和y分别表示离子在电场力和磁场力作用下的偏移量。式(1)表明，离子的径迹是一条抛物线，具有不同荷质比的离子会得到不同的抛物线。通过分析离子径迹的强度便可以得到离子的能谱。特别的，对仅有磁场没有电场的离子谱仪而言，离子将沿着磁场方向偏折，其径迹是一条直线。

由于汤姆逊谱仪在研究质子加速方面有着重要的应用，谱仪本身也在不断地发展。虽然离子谱仪能够获取能谱，但传统的汤姆孙谱仪所探测的离子首先都是穿过单个入射孔的。入射孔对应的离子发散角大约在10^-7sr～10^-8sr量级，无法获取离子角分布的信息。目前，许多实验室都采用RCF(Radiochromic film)作为探测离子角分布的诊断方法：将4～8层RCF相叠(视质子能量而定)，置于打靶点后4～6cm处(见“Laser-driven ionacceleration:Source optimization and optical control.Thesis,2008”)，用以测量离子在某一特定能量下的空间角分布以及的离子最大能量。

RCF是探测质子发散角的常用诊断方法，众多研究人员对此进行了相关的实验研究。通过RCF记录的质子信号，发现质子的发散角与能量之间存在着负相关关系，即质子能量越高其发散角越小(见“sauerbrey&u.schramm et al.Nature Communications|DoI:10.1038/ncomms1883”、“Wahlstro¨m.Physical Review Letters.95,175002(2005)”以及“Effect of self-generated magnetic fields on fast electron beam divergence insolid targets,New J.Phys.12,063018(2010)”。虽然测试结果非常直观，但RCF也有明显的局限性：

首先是单次使用性，即测试过一次之后就需要更换新的RCF。为了提高实验效率，通常将RCF固定在sigma旋转台上，打一发旋转一次，这样抽一次真空可以打4至8发。其次是能量间隔大，由于RCF本身具有一定的厚度(约100um)，获得的能量是高度离散化的。每层RCF可以探测某一能量层的质子角分布，但低能段(第一层到第二层)能量间隔高达2MeV。

因此，将RCF测量离子角分布信息的功能同汤姆逊谱仪获取离子能谱的功能相结合，制成实用性更强的宽角分辨离子谱仪也就顺理成章地产生了，并且已经有不少研究者做了相关的工作，并取得了明显的进展。2010年到2011年间，H.Chen在“Effect of self-generated magnetic fields on fast electron beam divergence in solid targets",New J.Phys.12,063018(2010)”中和D.Jung等人在“Gauthier,S.Le Pape,J.R.Rygg,andR.Shepherd,Rev.Sci.Instrum.81,10D314(2010)”相继提出将入射小孔改成狭缝的设想，并对穿过狭缝的质子进行了相关的分析和研究。2013，郑佚等人在“Rev.Sci.Instrum.82,043301(2011)”中提出通过将小孔部分改为狭缝以及一排入射孔，不仅获取了中央部分的离子能谱，还获得了偏离中心部分的离子能谱，进而获得一维离子空间角分布的信息。

然而，一维入射孔排列对于质子信号的角分布探测仍然有一定的局限性。为了更好地反映质子的空间角分布特性，并且不失汤姆逊谱仪解析能谱的特性，本申请在原有的基础上设计了二维角分布质子谱仪。与一维宽角质子谱仪相比，二维角分布质子谱仪能够探测到整个平面内质子在不同空间位置的质子能谱，从而给出更为直观的质子空间分布信息。相比其它正离子，质子质量最小，最容易被加速，且数量远大于其它离子，因此本发明改进得到的谱仪探测的信号为质子信号。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种二维角分布质子谱仪。

根据本发明提供的一种二维角分布质子谱仪，包括依次设置的质子筛选装置、电磁场装置以及质子探测装置，质子筛选装置包括二维点阵结构的入射孔阵列。

优选地，电磁场装置包括平行磁铁，平行磁铁所产生磁场的磁场方向与入射孔阵列的法向方向相互垂直。

优选地，入射质子从所述入射孔阵列进入所述磁场后，在磁场的作用下发生偏转，由质子探测装置探测质子并测得质子的能谱和二维空间分布信息。

优选地，在质子筛选装置与质子探测装置之间不施加电场。

优选地，入射针孔阵列绕轴旋转的角度θ为15°，其中，所述角度θ是水平方向与入射孔阵列的行方向或者列方向之间的夹角。

优选地，入射孔阵列中入射孔直径为0.25mm，两个相邻的入射孔间距为2mm，总共包含11行*11列个入射孔。

优选地，平行磁铁之间的间隙为40mm，所述磁场中心处的磁感应强度为0.26特斯拉，所述入射孔阵列与金属靶上打靶点的距离为60mm，平行磁铁的延伸距离为50mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过将传统谱仪的质子筛选装置中的单个入射孔改进成具有空间点阵结构的入射孔阵列，通过探测二维点阵结构的能谱，因而能够在测得质子能谱的同时给出直观的质子空间分布信息，从而大大提高获取质子束信息的能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为二维角分布质子谱仪的俯面结构图。

图2为坐标轴定义方向。

图3为入射孔阵列示意图。

图4为GPT模拟的结果。

图5为质子能谱的树状结构图，每一层表示某一能量下质子的空间分布。

图6为通过图5而得到的结果，表示质子的最大能量分布。

图7为通过图5而得到的结果，表示质子的数密度分布。

图中：

1-金属靶

2-质子束

3-入射孔阵列

4-平行磁铁

5-成像板IP

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

同汤姆逊谱仪和一维宽角质子谱仪一样，二维角分布质子谱仪包括质子筛选装置、电磁场装置以及质子探测装置。区别在于，二维角分布质子谱仪的质子筛选装置不采用单个入射孔，而是采用二维点阵结构的入射孔阵列。鉴于二维角分布质子谱仪为初次使用，设计时采用最简单的平行磁铁模式，没有加电场，因此高Z离子信号和质子信号将重合在一起。

如图1所示，根据本发明提供的一种二维角分布质子谱仪，包括依次设置的质子筛选装置、电磁场装置以及质子探测装置，质子筛选装置包括二维点阵结构的入射孔阵列。电磁场装置包括平行磁铁，平行磁铁所产生磁场的磁场方向与入射孔阵列的法向方向相互垂直。入射质子从所述入射孔阵列进入所述磁场后，在磁场的作用下发生偏转，由质子探测装置探测质子并测得质子的能谱和二维空间分布信息。在质子筛选装置与质子探测装置之间不施加电场。入射孔阵列绕圆心旋转的角度θ为15°。平行磁铁之间的间隙为40mm，所述磁场中心处的磁感应强度为0.26特斯拉，所述入射孔阵列与金属靶上打靶点的距离为60mm，平行磁铁的延伸距离为50mm，相邻入射孔之间的间距为2mm，。

其中，由于质子探测装置中的成像板(IP，Image Plate)对质子信号非常敏感，本申请选用成像板IP作为探测质子的诊断方式。然而，成像板IP只能单次测量信号，为了提高实验效率，本申请设计了成像板IP传动装置。12片成像板IP固定在一个可以前后滑动的金属框架上，框架前方开了一个宽约5mm的卡槽，成像板IP可以从卡槽里面掉落。当采集到信号后，成像板IP在电控平移台的推动下从前方的卡槽落下，进入IP搜集腔。搜集腔的前方装有一片厚度为1cm的铝板，用来屏蔽实验中的高能电子或伽马射线对IP的信号干扰。一旦前一片IP掉落后，后一片IP就刚好在之前IP所处的位置，可以直接打下一发次，直到所有的12片IP都从卡槽内掉落为止。这样，抽一次真空就可以打12发次，大大增加了实验的效率。

二维角分布质子谱仪的主体部分由磁场区域中的两块50mm×100mm×10mm的钕铁硼磁铁组成，磁场方向垂直于质子入射方向。为了增大质子的接收角度，同时又要保证磁场的强度，本申请将磁铁间隙设定为40mm，场中心处的磁感应强度为0.26特斯拉。质子筛选装置中的入射孔距离打靶点60mm，质子穿过入射孔之后进入磁场区域，受到洛伦兹力而向上偏转，最终被成像板IP接收。如图1、图2所示，磁场的横向区域为50mm，成像板IP距离磁铁边缘225mm。

图1中，B表示中心磁场强度，L₁表示打靶点到入射孔阵列的距离，L₂表示磁场区域宽度(平行磁铁的延伸距离)，D表示平行磁铁中的磁铁边缘到探测屏的距离，Gap表示平行磁铁之间的间距；B＝0.26T；L₁＝60mm；L₂＝50mm；D＝225mm；Gap＝40mm。图2中，定义x方向为磁铁N级指向S级方向，y方向为竖直向下，z方向为质子垂直进入磁场的方向。

一般的，汤姆逊谱仪得到的实验结果是一个零点和一条谱线。二维角分布质子谱仪的结果将会是二维点阵结构的零点和谱线，不同入射孔得到的谱线会有所不同，反映的是这个空间位置处质子能谱特性。如果将入射孔阵列竖直放置，不同入射孔的谱线将相互重叠。为了显示每个入射孔所展开的能谱，需要将入射孔阵列绕圆心旋转一个适当的角度，如图3所示。在本实验中旋转角度θ为15°。在图3示出的11*11入射孔阵列中，入射孔的直径为250um，通过化学刻蚀的方法制成。入射孔之间的间距为2mm。入射孔阵列的圆片材质为304不锈钢，厚度为200um。

然而，由于磁铁的间距较大，为了提高计算准确度必须考虑边缘效应。当质子斜入射磁场时，主要受到x方向的磁场力，同时也会受到y和z方向的磁场力。因此，我们需要对磁场空间内的每个点三维的磁场分量分别进行测量。由于需要获取空间各个点的三维磁场分量，每个点都用特斯拉计测量需要特殊的磁场测量仪器，且需要花费较长的时间，实验室目前并不具备这样的条件。因此我们选用测量和模拟相结合的方法，即先测量磁场x、y、z三条坐标轴上的磁场强度，然后根据轴上实际测量的值代入Radia软件，用Radia软件模拟相似的平行磁场，最后给出空间每个点的磁场三个分量。实测数据和模拟值的误差小于1％。

当质子垂直进入磁场后，在不加电场的情况下质子的径迹为一条直线。但对二维宽角质子谱仪而言，大量的质子穿过入射孔后是斜入射磁场的，而且磁场不均匀，质子在IP上的径迹是否还是直线便不得而知，需要通过模拟才能确标定。对此，我们用GPT(Generalparticle Tracers)模拟程序对穿过入射孔、穿过磁场的粒子进行了模拟。GPT是一款基于龙格库塔算法的质子追踪模拟程序，能够有效地考虑粒子斜入射三维磁场后产生的偏转量。在我们的实验情况下，具体的模拟参数为：

1、质子束：1E7个质子，能量在1到5个MeV之间呈麦克斯韦分布，在20°的发散角内均匀分布。

2、中性粒子数目：1E6个高能光子。强激光与金属靶相互作用时会产生大量的X射线，由于不受洛伦兹力的作用，X射线穿过磁场时沿着直线传播。在探测屏上产生零点信号。设置光子的目的主要就是用来确定零点的位置。

3、磁场：按照磁场模拟软件Radia给出的三维磁场结果进行运算。

需要指出的是，TNSA加速的质子在发散角内并非均匀发散，高能质子的发散角相比低能质子的发散角要小得多。由于发散角与能量的对应关系同激光对比度、靶的尺寸、厚度等参数均有关系且较为复杂，GPT模拟还无法做到精确考虑这一效应。因此，此次模拟结果暂且假定质子在20°的发散角内均匀分布，即确保所有的入射孔都有1～5MeV的质子穿过，如图4所示。通过GPT模拟结果，我们确定了以下两点：

第一：入射孔阵列绕圆心旋转15°之后，每个入射孔都会产生一个原点和一条谱线，不同的谱线完全可以错开，谱线和相邻的零点也不会相互重叠。这就表明，将入射孔阵列旋转15°，对每条谱线分别解析是完全可行的。

第二：当不同能量的质子斜入射磁场后，同时考虑到磁场的边缘效应，质子在探测屏上的径迹依旧呈直线，分析数据同汤姆逊谱仪一样即可。

通过GPT模拟，我们发现虽然质子的能量范围一样，但不同入射孔所对应谱线长度并不一致。这个结果是合理的，因为每一个小孔对应于一个特定的质子传输方向，边缘处的入射孔对应的质子是斜入射磁场的，斜入射的质子运动区域更靠近磁铁，区域内磁场更强，偏转量理应更大。

在一个具体地实验中，二维角分布质子谱仪放于打靶点后6cm处。11*11个入射孔阵列对应2cm*2cm的探测区域，获得的质子收集角为20°。实验时采用20cm*12cm的SR型IP板探测质子信号。IP外包有一层15um厚的铝箔，能够拦截能量低于1MeV的质子以及散射光等噪音信号。

通过IP读数仪扫描得出的探测数据中，每个入射孔的探测信号由一个零点和一条谱线组成。零点信号对应于X射线，X射线不带电，穿过入射孔后在磁场区域内以直线传播，因此零点相当于入射孔在IP板上的等比例放大；长条谱线由以一定能谱分布的质子组成，谱线最上方的质子对应的能量为1MeV，能量小于1MeV的质子将被IP外层的15um铝箔所屏蔽。

通过对二维宽角分辨谱仪的点阵进行能谱分析，可以获得反映了质子信号的树状结构图，如图5所示。在二维宽角分辨谱仪的树状结构图中含有对应不同质子能量的多层截图，质子能量范围为1MeV至3MeV，能量间隔为0.2MeV。每一层的截图表示处于特定能量下的质子数目空间分布情况。位于1MeV处的质子数量最多，质子的发散角也最大。而随着能量的升高，每一截层上质子的数量逐渐减弱，发散角也逐渐减小，整个形状如同一颗圣诞树。质子的最大能量为2.7MeV，也就是说2.6MeV这一截层仍旧有质子，但数量较少)。通过树状结构图得出的质子能量与发散角的对应关系同K.Zeil的实验结果(见“sauerbrey&u.schrammet al.Nature Communications|DoI:10.1038/ncomms1883”)十分类似。

RCF的结果直观明了，并且对质子信号相对比较敏感。树状图和RCF叠层类似，可以反映质子的角分布信息。同RCF相比，树状图优势和劣势都非常明显。

优势在于：树状图的能量间隔可以由程序自由设置。例如0.2MeV甚至更小，无论质子能量多高总能清晰地呈现在某一能量下的质子空间分布图。而RCF拥有一定的厚度，其能量间隔由RCF的厚度而定，且间隔很大。例如，常用的MD-V2型RCF第一层截止能量有1.2MeV，第二层的截止能量达到3.2MeV。就本实验结果而言，质子的最高能量为2.7MeV，这一发次若用RCF进行探测，在堆层上将只有一层信号。而通过二维宽角质子谱仪则可以获得清晰的层叠效果。劣势在于，RCF通过扫描可以获取更高的图像分辨率，而二维宽角分辨溥仪获得的能谱树状图是基于二维离散的入射孔点阵获取的信息，然后利用二维离散的信号作过渡处理，直观度虽好但精度却不及RCF。为了提高探测精度需要将入射孔做的更密。

如果我们将树状图的最外层包络截取出来，便可得到质子的最大能量分布图，如图6所示。质子最大能量为2.7MeV，而四周质子的最高能量则下降到2.2MeV左右，这一变化趋势与TNSA加速机制下质子能量越高发散角越小的规律相符。理想情况下，最大能量的质子应当位于靶后法线方向中心处，而测得质子位于中心位置偏上方。偏离中心的原因在于靶表面的平整度不够，激光和金属靶相互作用时，靶后法线方向并不水平，而是微微向上偏一个小角度所致。同样，如果对每个入射孔测得的质子能谱进行积分，便可得到质子束的密度分布图。质子数密度呈现中间高四边低的趋势，表明更多的质子集中在较小的发散角之内。

因此，二维角分布质子谱仪和RCF都能探测质子角分布信息，各有各的优势，实验时可以相辅相成。特别地，当质子能量较低时(例如质子能量低于3MeV，在RCF叠层上只有一层信号)，树状结构图更能直观地给出质子能量的结果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种二维角分布质子谱仪，包括依次设置的质子筛选装置、电磁场装置以及质子探测装置，其特征在于，质子筛选装置包括二维点阵结构的入射孔阵列；

入射孔阵列绕圆心旋转一定角度，使每个入射孔的不同谱线错开。

2.根据权利要求1所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，电磁场装置包括平行磁铁，平行磁铁所产生磁场的磁场方向与入射孔阵列的法向方向相互垂直。

3.根据权利要求2所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，入射质子从所述入射孔阵列进入所述磁场后，在磁场的作用下发生偏转，由质子探测装置探测质子并测得质子的能谱和二维空间分布信息。

4.根据权利要求1所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，在质子筛选装置与质子探测装置之间不施加电场。

5.根据权利要求2所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，入射孔阵列绕圆心旋转的角度θ为15°，其中，所述角度θ是x方向与入射孔阵列的行方向或者列方向之间的夹角,x方向为磁铁N极指向S极方向。

6.根据权利要求1所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，入射孔阵列中入射孔直径为0.25mm，两个相邻的入射孔间距为2mm，总共包含11行*11列个入射孔。

7.根据权利要求2所述的二维角分布质子谱仪，其特征在于，平行磁铁之间的间隙为40mm，所述磁场中心处的磁感应强度为0.26特斯拉，所述入射孔阵列与金属靶上打靶点的距离为60mm，平行磁铁的延伸距离为50mm。