CN107037476B - 一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；准直圆盘中心带有准直通孔；锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；Halbach二极磁铁为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体。本发明中的汤姆逊离子谱仪占用的空间更小，所产生的磁场强度更高。本发明中在Halbach二极磁铁前设计了一个锥形磁铁屏蔽铁，在一定长宽比情况下，可以有效屏蔽掉外部磁场，同时减小内部磁场损失。

Description

一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪
技术领域
本发明涉及等离子体物理和核探测领域，具体地讲，是涉及一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。
背景技术
在强场激光等离子体物理研究以及惯性约束聚变研究中，激光与靶相互作用产生的离子种类和能谱是关系实验物理过程的一个关键参数。传统用于离子种类及能谱诊断的设备为汤姆逊离子谱仪。其电场方向与磁场方向平行。假设离子入射方向为Z方向，磁场方向为X方向，垂直磁场方向及离子入射方向为Y方向。入射离子通过准直孔进入汤姆逊谱仪，同时受到X方向的电场加速和Y方向的磁场偏转，在电场方向做加速运动，在磁场方向做圆周运动。在穿出谱仪的磁场和电场区域后，不再受到磁场和电场作用，以穿出电、磁场时的速度和方位做匀速直线运动。
随着激光技术的发展以及激光质子加速技术的深入研究，实验上可以产生高达几十甚至上百MeV的高能质子及其它离子。因此需要更高能量诊断范围的汤姆逊离子谱仪。目前常用的汤姆逊离子谱仪其磁场是由两块相互平行的磁铁产生的二极磁场。磁铁的磁场强度越大所需要的轭铁就越厚，谱仪的体积和质量也会成倍增加。要实现100MeV以上能谱诊断，且能谱分辨小于5% ，需要气隙4cm、材料为NdFeB的磁铁长20cm，磁场峰值强度为0.91T。为了产生这样的强磁场，需要磁铁尺寸为280mm*280mm*220mm(长*宽*高)，质量超过100公斤。这种汤姆逊谱仪体积和质量都比较大，在瞄准时移动不便，在特定条件下体积过大甚至会成为无法克服的缺点。
根据电动力学理论，每个永磁铁所具有的静磁场能是一定的，如果将这些能量束缚在更小的空间内，将得到更强的磁场强度，常见的汤姆逊离子谱仪的二极磁铁结构，通常是利用轭铁将磁场束缚在轭铁和永磁铁之间的气隙中，由于轭铁相对磁导率在103量级，永磁铁和空气相对磁导率在100量级，导致大部分磁场能量集中在轭铁中，气隙间的磁场强度常常只有永磁铁剩磁的一半，甚至更低。要得到更强的磁场需要增加轭铁厚度、减小气隙，导致磁铁体积增加，且有效的磁场空间会更小。
发明内容
为克服现有技术中的上述磁场强度与体积的矛盾关系问题，本发明提供设计巧妙、结构简单的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；
所述准直圆盘中心带有准直通孔；
所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；
所述Halbach二极磁铁为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体；
所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；
所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；
所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；
所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。
具体地，两块金属板的其中一块金属板平行于Halbach二极磁铁的中心轴线，其法向与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行；另一块金属板与Halbach二极磁铁的中心轴线呈一定夹角。
具体地，锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径为其另一端的直径的一半；锥形磁场屏蔽铁的厚度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的四分之三。
具体地，成像板呈矩形。
具体地，Halbach二极磁铁的圆柱体的直径与柱状通孔的直径之比为2.5，其圆柱体的高度与柱状通孔的直径之比为2。
具体地，两块金属板的前端的宽度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的三分之二。
具体地，该装配内壳和该装配外壳均为非磁性材料。
具体地，该装配内壳和装配外壳均为铝；准直圆盘为钽；Halbach二极磁铁为NdFeB48。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中的汤姆逊离子谱仪占用的空间更小，所产生的磁场强度更高。
（2）本发明中在Halbach二极磁铁前设计了一个锥形磁铁屏蔽铁，在一定长宽比情况下，可以有效屏蔽掉外部磁场，同时减小内部磁场损失。
（3）本发明中两块金属板具有一定的夹角，可以在产生足够高电场的条件下保证离子能够实现足够大的偏转而不碰到电极板上。
（4）本发明的基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪在相同体积下，可以实现比常规汤姆逊谱仪高3倍的能量诊断。实现质子能谱诊断范围为1MeV-100MeV，且在100MeV能量附近能谱分辨小于5%。
附图说明
图1为本发明的第一剖面图。
图2为本发明的第二剖面图。
图3为本发明中电极板的示意图。
图4为本发明中Halbach二极磁铁和锥形磁场屏蔽铁的结构示意图。
图5为本发明中Halbach二极磁铁的每瓣磁铁的磁化方向与柱状通孔内产生的磁场方向。
附图标记说明：1—准直圆盘，2—准直通孔，3—锥形磁场屏蔽铁， 4—Halbach二极磁铁，5—装配内壳，6—装配外壳，7—电极板，8—成像板，9—电源线。
专业术语解释：
成像板：用于离子信号记录，通过分析成像板上离子信号分布可以反推出离子的能谱；也叫IP板（Imaging Plate）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图5所示，一种基于Halbach二极磁铁4的汤姆逊离子谱仪，包括准直圆盘1、锥形磁场屏蔽铁3、Halbach二极磁铁4、电极板7、两根电源线9、成像板8、装配内壳5和装配外壳6；
准直圆盘1中心带有准直通孔2；准直通孔2用于限制进入汤姆逊离子谱仪的离子束斑，从而确定离子能谱诊断的谱分辨；所述准直圆盘1的厚度为4mm~8mm，其准直通孔2直径为100um~200um。
锥形磁场屏蔽铁3内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；锥形磁场屏蔽铁3用于屏蔽Halbach二极磁铁4外的磁场，保证离子在进入Halbach二极磁铁4前受到尽量少的偏转；锥形磁场屏蔽铁大端端面直径为100mm，其通孔直径为40mm；所述锥形磁场屏蔽铁小端端面直径为50mm，其通孔直径为20mm；所述锥形磁场屏蔽铁厚度为30mm。
Halbach二极磁铁4为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体；Halbach二极磁铁4用以产生高强度、分布均匀的磁场，使得离子在磁场中受到洛伦兹力的作用发生偏转；所述的Halbach二极磁铁4的8瓣不同磁极化方向的永磁铁的磁极化方向分别为90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°、0°。磁铁材料为NdFeB48。Halbach二极磁铁4的外直径100mm，长度80mm。可以产生轴上峰值强度1T的磁场。该磁场使得离子在磁场中受洛伦兹力的作用发生偏转，偏转相同角度需要更高能量的质子，从而提高质子能量诊断范围；该Halbach二极磁铁4的圆柱体的直径与柱状通孔的直径之比为2.5，其圆柱体的高度与柱状通孔的直径之比为2。该Halbach二极磁铁4的柱状通孔的直径为40mm。
电极板7由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；该电极板7的两块金属板之间呈3°夹角。
锥形磁场屏蔽铁3的锥形小端和准直圆盘1紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁4的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁3的中心轴线、准直圆盘1的中心轴线以及Halbach二极磁铁4的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁3的锥形小端的直径与准直圆盘1的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁4的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘1的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁4的柱状通孔的直径相等；该锥形磁场屏蔽铁3的锥形小端的直径为其另一端的直径的一半；锥形磁场屏蔽铁3的厚度为Halbach二极磁铁4的柱状通孔的直径的四分之三。
装配内壳5包裹住Halbach二极磁铁4的圆柱面；装配外壳6前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳6紧密包裹住准直圆盘1、锥形磁场屏蔽铁3和装配内壳4，其后端与两块金属板的后端齐平；装配内壳与Halbach二极磁铁紧密贴合，防止磁铁间因为引力或者斥力造成永磁铁间的错位。该装配内壳5和装配外壳6均为非磁性材料。该装配内壳5和装配外壳6均为铝；准直圆盘1为钽。
成像板8设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁4的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁4的柱状通孔中的磁场方向平行。成像板用于离子信号记录，通过分析成像板上离子信号分布可以反推出离子的能谱；所述成像板呈矩形，其长度110mm，宽度8mm。一端位于电极板后端面，距离中心6mm，另一端位于电极板侧面中间位置。
两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁4的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁4的前端齐平，其后端分别连接两根电源线9；具体地，两块金属板的其中一块金属板平行于Halbach二极磁铁4的中心轴线，其法向与Halbach二极磁铁4的柱状通孔中的磁场方向平行；另一块金属板与Halbach二极磁铁4的中心轴线呈一定夹角。电极板7用于产生高强度电场，使得不同种类离子形成不同的抛物线轨迹，从而实现离子种类的识别；两块金属板具有一定的夹角，可以在产生足够高电场的条件下保证离子能够实现足够大的偏转而不碰到电极板上。两块金属板前端间距2mm，两块金属板后端间距14mm。金属板前端与Halbach二极磁铁前端齐平，后端延伸到磁铁外，与Halbach二极磁铁后端距离150mm左右。金属板在磁铁内部分宽度为26mm，在磁铁外部分宽98mm。在金属板间加6000V电压，可以产生3.6~30*105V/m的电场强度。使得不同种类离子形成不同抛物线轨迹，从而实现离子种类识别；该电极板7的两块金属板的后端超出Halbach二极磁铁4的部分为150mm；该电极板7的两块金属板的前端的宽度为Halbach二极磁铁4的柱状通孔的直径的三分之二 。
本发明中的汤姆逊离子谱仪占用的空间更小，所产生的磁场强度更高。
本发明中在Halbach二极磁铁前设计了一个锥形磁铁屏蔽铁，在一定长宽比情况下，可以有效屏蔽掉外部磁场，同时减小内部磁场损失。本发明的基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪在相同体积下，可以实现比常规汤姆逊谱仪高3倍的能量诊断。实现质子能谱诊断范围为1MeV-100MeV，且在100MeV能量附近能谱分辨小于5%。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；
所述准直圆盘中心带有准直通孔；
所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；
所述Halbach二极磁铁呈具有柱状通孔的圆柱体状；
所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；
所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；
所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；
所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述Halbach二极磁铁由八瓣不同极化方向的永磁铁构成；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体。
3.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述两块金属板的其中一块金属板平行于Halbach二极磁铁的中心轴线，其法向与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行；另一块金属板与Halbach二极磁铁的中心轴线呈一定夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径为其另一端的直径的一半；锥形磁场屏蔽铁的厚度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的四分之三。
5.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述成像板呈矩形。
6.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述Halbach二极磁铁的圆柱体的直径与柱状通孔的直径之比为2.5，其圆柱体的高度与柱状通孔的直径之比为2。
7.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述两块金属板的前端的宽度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的三分之二。
8.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述该装配内壳和该装配外壳均为非磁性材料。
9.根据权利要求8所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述该装配内壳和装配外壳均为铝；准直圆盘为钽；所述Halbach二极磁铁为NdFeB48。
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