CN107180740A - 提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，包括外壳以及设置在外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中金属薄片设置在质子束的入射路径上，在金属薄片上设有入射孔，入射孔为点阵结构；磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，质子束的入射路径穿过两块异名磁极磁铁之间；质子探测屏幕设置在质子束的入射路径上。本发明的有益效果如下：为了提高谱仪的空间分辨率，对原先的二维角分辨质子谱仪进行了改进：将针孔在一维方向上加密，使质子束信号的空间分辨角度由之前的1.9°提高到0.285°。这样能够探测更为直观的质子空间分布信息，对于激光驱动质子加速的研究起到重要的作用。

Description

提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪

技术领域

本发明涉及一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪。

背景技术

物理学的发展离不开诊断技术的改进，而诊断技术则伴随着物理学的发展不断地进步。在强场激光领域，激光驱动质子加速是一个极为重要的研究方向，从最开始的TNSA加速机制，到随后发展起来的光压加速、激波加速、BOA加速等多种机制共同发展。当然，不同机制产生的质子束或离子束具有不同的特性。

一般测量离子能谱的仪器是汤姆逊离子谱仪(Thomson ion Spectrometer)。传统的汤姆逊离子谱仪主要由三部分组成：离子收集部分(直径为百微米量级的针孔)、电磁场部分(电磁场方向与入射离子运动方向相互垂直)以及离子探测部分(通常是IP、CR39或塑料闪烁体)。典型的汤姆逊离子谱仪的离子收集部分是单个小针孔，针孔对靶点所张的立体角大约在10^-7sr量级。待电离子从小孔进入谱仪后，在电磁场的作用下发生偏转，最后由离子探测部分接受信号，从而获得离子能谱。对于理想的汤姆逊离子谱仪，带电离子经过电磁场后的运动轨迹满足：

其中，E和B分别代表电场强度和磁感应强度，m、q分别表示离子的质量和电荷。l表示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。(1-1)式表明，离子的径迹是一条抛物线，不同荷质比的离子对应于不同的抛物线方程，通过分析离子径迹的强度便可以得到离子的能谱。特别地，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。

除了能谱之外，空间分布也是衡量质子束性能的重要参数。目前，大多采用RCF(Radiochromic film)作为主要的诊断方式。RCF是一种辐射变色薄膜，以聚乙烯醇缩聚物为基质。当高能离子穿过RCF并沉积在薄膜内，其颜色会变深，颜色变化量与离子沉积成正比，通过扫描RCF即可确定RCF内沉积的离子分布。实验时通常将数层RCF相叠(层数视最大质子能量而定)，置于打靶点后4～6cm处，用于测量离子在某一特定能量下的空间角分布，并根据RCF的层数粗略计算出的离子的最大能量，RCF堆栈的层数与其对应的能量。利用RCF，不少研究小组在实验中测得质子束的分布结果。对于典型的TNSA加速机制，质子束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。

随着激光驱动质子加速的不断发展，新的加速机制(如光压加速、激波加速、BOA加速等)从理论和实验两方面不断地发展，实验中测得的质子束的性能同TNSA产生的质子束相比也较大的改善。例如，实验上利用圆偏振激光的光压加速产生的质子束和离子束具有准单能特性。同时，实验中也观测到了利用激波加速产生的准单能质子束。从探测器的角度而言，单能质子对探测器的能量分辨率提出了更高的要求。就RCF叠层而言，由于RCF本身具有一定的厚度(例如HD-810为108μm)，对质子的截止能量相差较大。特别在低能部分，RCF的截止能量间隔在1MeV以上，对诊断光压加速或激波加速产生的准单能质子束将受到一定的限制。

为了提高探测器的能量分辨率，利用Thomson离子谱仪便于解析离子束能谱的特点探测质子束空间分布便具有重要的意义。不少研究者已经做了相关的工作并取得了明显的进展：自2009年到2012，S.Ter–Avetisyan、H.Chen、D.Jung以及Y.Zheng等人相继提出将入射小孔改成狭缝的设想，设计了一维宽角质子谱仪，并对穿过狭缝的质子进行了相关的分析和研究，并获得了具有一定发散角的质子能谱。然而，对于一维宽角质子谱仪仍然有提升和改进的空间。不少TNSA实验表明质子束并不对称，在空间二维方向上具有特定的空间分布。此外，最新的实验结果表明，BOA加速的质子空间分布上有着明显的调制结构。这些质子束的空间分布间接反映了质子同等离子体相互作用时的物理过程，而一维宽角质子谱仪并无法完全测得质子束在二维方向上的空间分布。

仪器的空间分辨率是一项重要指标，决定了空间探测能力。已有的模拟结果表明，在理想情况下，靶后鞘层加速产生的质子束呈现圆环的高斯分布，高能质子集中在中心部分，低能质子分布在圆环边缘处。然而，质子束的空间分布会受到许多物理参数的影响，例如激光光斑的不均匀性、靶面的不平整性等等，此外激光脉冲的抖动误差也会对质子束分布产生一定的影响。K.Zeil和O.Tresca等人用辐射变色片(RCF)探测到了具有空间不均匀性的质子束，这些不均匀的质子束通常都伴有质子束的细微结构，且这些细微结构的空间尺度很小，所对应的质子束发散角通常都小于1°。对于二维角分辨质子谱仪，决定空间分辨率的主要因素是针孔间距。如上节所述，之前设计的二维角分辨质子谱仪，针孔间距为2mm，当针孔距离打靶点60mm时对应的质子束空间发散角为1.9°。这样的空间分辨率虽然能够给出质子束在空间分布的宏观变化趋势，但不足以探测质子束分布的细微结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更好地反映质质子的空间分布，可以探测质子束空间结构的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪。

为解决上述技术问题，本发明提供一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，包括外壳以及设置在所述外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中所述金属薄片设置在质子束的入射路径上，在所述金属薄片上设有入射孔，所述入射孔为点阵结构；所述磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，所述质子束的入射路径穿过两块所述异名磁极磁铁之间；所述质子探测屏幕设置在所述质子束的入射路径上。

优选地，所述入射孔为二维点阵结构；其中多个所述入射孔排列成孔列，多条孔列平行间隔设置。

优选地，所述孔列与竖直方向的夹角θ_r为21度。

优选地，所述入射孔的直径为0.2毫米。

优选地，同一所述孔列相邻的所述入射孔之间的间距为0.3毫米。

优选地，相邻的所述孔列之间的间距为2毫米。

优选地，所述孔列的数量为11列，每列所述孔列的所述入射孔的数量为70个。

优选地，所述质子探测屏幕与所述金属薄片之间的间距为225毫米。

优选地，两块所述异名磁极磁铁之间的间隙为40毫米，两块所述异名磁极磁铁的延伸距离为50毫米。

优选地，在所述质子探测屏幕前设有15微米厚的铝膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：为了提高谱仪的空间分辨率，对原先的二维角分辨质子谱仪进行了改进：将针孔在一维方向上加密，使质子束信号的空间分辨角度由之前的1.9°提高到0.285°。这样能够探测更为直观的质子空间分布信息，对于激光驱动质子加速的研究起到重要的作用。

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为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪结构示意图；

图2为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪原理图；

图3为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪入射孔点阵结构结构示意图；

图4为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪GPT计算的质子的能量偏转关系图；

图5为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪实验布局图；

图6为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪探测数据如图；

图7为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪质子能量分布图；

图8为本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪质子能量随空间分布变化的关系图。

图中：

1-外壳 2-金属薄片 3-磁铁组件

4-质子探测屏幕 5-入射孔

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。

如图1所示，本发明提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，包括外壳1以及设置在外壳1内的金属薄片2、磁铁组件3及质子探测屏幕4。

磁铁组件3(磁场部分)由两块平行的50mm×100mm×10mm钕铁硼磁铁组成，磁场方向垂直于质子入射方向。之前的实验结果表明，当低对比度激光(对比度～10^-8)同金属靶相互作用时，质子束发散角在20°左右；而高对比度激光(对比度～10^-10)同金属靶相互作用时，发散角明显小于20°。因此，为了尽可能地增大质子接收角，同时又保证足够的磁场区域强度，将质子接收角设计为20°。谱仪的工作原理图如图2所示，定义x轴为磁铁N级指向S级方向，y轴为竖直向上，z轴为质子垂直进入磁场的方向。

限制质子接收角度的主要因素是磁铁间隙。考虑到谱仪距离打靶点存在一定的距离(60mm)，为了确保20°的质子接收角，可得磁铁间距为40mm。因此，二维角分辨质子谱仪两块磁铁的间距为40mm，磁场中心区域的磁场强度为0.26T。质子穿过针孔之后进入磁场区域，受到洛伦兹力而向上偏转，最终被接收。

质子束中心沿z轴被加速，经过磁场后沿着y’方向发生偏转，被探测屏所接收。如图3所示，针孔阵列在x方向上针孔间隔D为2mm，与之前的设计保持一致。y方向上间隔a缩小为0.3mm。同上一节所介绍的设计原理相同，为了保证所有的质子谱线能够在IP上分辨清晰，针孔阵列需要绕着针孔阵列中心旋转一个合适的角度θ_r。不过，由于针孔间距减小，分离不同质子谱线所需旋转的角度增大。计算得出，当旋转角度为21°时，质子谱线在IP上能够相互分离，满足设计要求。

表1-1谱仪的结构参数

中心磁场强度	B	0.26T
			针孔阵列距离靶点	L1	60mm
磁场长度	L2	50mm
			针孔阵列距离探测板	L	225mm
磁场间隔	d	40mm

表1-2针孔的参数

由于两块磁铁的间隔较大(40mm)，考虑到磁场的边缘效应，质子在IP上的径迹无法确定。此外，之前的针孔阵列参数、偏转角的选取是否合理均需要验证。因此，选用GPT(General particle Tracers)模拟程序对穿过针孔且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粒子追踪模拟程序，能够有效地计算粒子斜入射三维磁场后的运行轨迹。激光等离子体相互作用产生的质子发散角与能量的对应关系十分复杂，同激光对比度、靶的尺寸、厚度等参数均有关系，而目前GPT模拟还无法做到精确考虑这一效应。因此，此次模拟设定质子束在20°的发散角内均匀分布，即确保所有的针孔都有1.0MeV～5.0MeV的质子穿过。

具体的模拟参数为：

1.质子束：1×10⁷个质子，在1.0MeV～5.0MeV之间呈麦克斯韦分布，在20°的发散角内呈均匀分布。

2.中性粒子数目：1×10⁶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。设置光子的目的是用来确定零点的位置。

3.针孔参数：针孔阵列位于靶后60mm处，针孔直径250μm，针孔之间的间距为2mm，整个针孔阵列逆时针旋转15°。

确定能够探测谱线之后，为了解析能谱需要计算特定能量的质子经过磁场的偏转量。通过GPT程序，可以得到一个四维数组(E、θ_x、θ_y、deflection)。其中，E表示质子能量，θ_x和θ_y分别表示质子的二维发散角，deflection表示经过磁场的偏转量(相对于零点)。在数组(E、θ_x、θ_y、deflection)中，对于某个确定的质子能量E，我们可以得到一个三维数组(θ_x、θ_y、deflection)。如图4所示，图中每一个曲面表示一个特定的质子能量穿过磁场后的偏转量。质子能量范围从1.0MeV到5.0MeV，能量间隔为0.5MeV。图像的颜色条变化对应于偏转量的大小，对于某一质子能量，四周的偏转量高于中心部分。产生这一现象的主要原因是，周围的质子是斜入射进入磁场的，质子经过的磁场区域更靠近磁铁，靠近磁场区域的磁感应强度会略高于磁铁中间区域。通过质子偏转量的计算，我们就可以分析对每个针孔所测得的质子信号。

实验在200TW激光器上运行。激光中心波长为800nm，脉宽为25fs。主激光通过单等离子体镜过滤后，对比度提升为10^-8。单发能量为1.5J的激光脉冲由f/4的离轴抛物反射镜聚焦后入射到不锈钢靶上，入射角为9°，焦斑大小尺寸为6μm，其峰值功率约为I＝5×10¹⁹W/cm²，实验布局图如5所示。

实验时，二维角分辨质子谱仪放置于靶后法线方向60mm处，探测器为20cm×12.5cm的SR型IP板。IP外包裹一层15μm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如图6所示，每个针孔的信号均由一个零点和一条谱线组成。其中，零点信号对应于X射线或其他不带电粒子，这些粒子穿过针孔后以直线传播，因此零点相当于针孔在IP板上的投影成像。谱线信号由质子组成，质子拥有一定能量分布，反映在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15μm铝箔所屏蔽。

如图6(a)为实验时所用的三角形镍靶，激光与靶相互作用产生的质子束经过磁场区域后向上偏转。(b)图所示的是IP测得的质子谱线图。图6(c)、(d)分别表示(b)图中不同区域内的质子能谱信号。如图所示，颜色较淡的为针孔的原点信号(由不带电的X射线及光子信号组成)，上方颜色较深的是能谱展宽的质子信号。虽然这两个区域的质子能谱选自同一发次的数据，但这两个区域的能谱却有着完全不同的性质。首先，在(c)图中，质子的能量集中在2.0MeV左右，具有准单能的性质；而在(d)图中质子的能量范围从1.0MeV到1.2MeV之间均有所分布，不具有准单能的性质。其次，(c)图中质子谱线相互重叠，而在(d)图中质子谱线相互分离。产生这一差异的原因可能是由于质子源在不同方向上具有不同的尺寸，具体原因有待于进一步的研究和论证。这些现象表明：即使在同一发次产生的质子束，在不同方向上的质子的能谱性质也完全不同。因此，利用高空间分辨率的谱仪对质子能谱进行探测非常有必要。

根据GPT给出的能量——偏转量关系，我们可以解析这一发的质子能谱。如图7(a)和(b)分别表示能量为1MeV和1.5MeV的质子空间分布情况。其中，白色的阶梯曲线表示穿过针孔的质子数目分别随θ_x和θ_y的变化关系。沿θ_x方向的针孔间距为2mm(对应于没有提高空间分辨率的情况)；沿θ_y方向的针孔间距为0.3mm(对应于提高空间分辨率之后的情况)。从图中可以看出，提高空间分辨率之后，沿θ_y方向的阶梯曲线更精细，对于质子束的计算也更为准确。更能够更好地反映质子束的空间分布结构。

如图8所示，(a)、(b)两图表示质子能量随空间位置变化分布图，图像沿θ_x分开。纵坐标的颜色深浅反映的是质子束密度大小。如(a)图所示，当θ_y为0°时存在质子束密度的最大值，约为5.0×10⁶个/pinhole。而当θ_x由0°上升到2°时，质子束密度的分布发生了明显的变化，质子束密度减小为3.4×10⁶个/pinhole。这一现象说明质子束随空间变化十分敏感。(b)图所示的是θ_y由0°至2°的展开截图，空间角分辨率为0.285°。从(b)图可得，当θ_y＝0.57°时，得到质子束密度最大值6.0×10⁶个/pinhole。因此，提高了空间角分辨率之后，我们可以得到更为精确的质子束分布图。

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 (10)

1.一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，包括外壳以及设置在所述外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中

所述金属薄片设置在质子束的入射路径上，在所述金属薄片上设有入射孔，所述入射孔为点阵结构；

所述磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，所述质子束的入射路径穿过两块所述异名磁极磁铁之间；

所述质子探测屏幕设置在所述质子束的入射路径上。

2.根据权利要求1所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述入射孔为二维点阵结构；其中

多个所述入射孔排列成孔列，多条孔列平行间隔设置。

3.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述孔列与竖直方向的夹角θ_r为21度。

4.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述入射孔的直径为0.2毫米。

5.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，同一所述孔列相邻的所述入射孔之间的间距为0.3毫米。

6.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，相邻的所述孔列之间的间距为2毫米。

7.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述孔列的数量为11列，每列所述孔列的所述入射孔的数量为70个。

8.根据权利要求1所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述质子探测屏幕与所述金属薄片之间的间距为225毫米。

9.根据权利要求1所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，两块所述异名磁极磁铁之间的间隙为40毫米，两块所述异名磁极磁铁的延伸距离为50毫米。

10.根据权利要求1或8所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，在所述质子探测屏幕前设有15微米厚的铝膜。