CN107607984B - 一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，包括设计探测器底拖的形状，构建磁谱仪。本发明结构简单紧凑，根据带电粒子束初级聚焦位置符合双曲线特点设计底拖，极大消减了注入孔引入的系统误差，另外粒子通过的有效区域多位置磁场中心，受边界效应影响小，测量精度显著提高，适用于推广应用。

Description

一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法

技术领域

本发明涉及带电粒子能谱测量领域，具体是一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法。

背景技术

磁谱仪是利用带电粒子在磁场中偏转半径随能量(指动能)变化的特点，测量带电粒子能谱分布的一种仪器。现有的磁谱仪通常如图1所示，由永磁铁6、导磁体中框2和封板1在磁谱仪内部形成均匀封闭的磁场区域，探测介质7固定在一块底拖上，通过底拖把探测介质送入到磁场的特定位置。磁谱仪通过准直孔5对准发射源，带电粒子经过注入孔3进入均匀磁场区域，受磁场洛伦兹力影响，做圆周运动，不同能量的带电粒子的偏转半径不同，则会沉积到探测介质的不同位置，结合探测介质的响应，可分析出带电粒子的能谱。但这种传统的磁谱仪有一个显著地缺点是，由注入孔的孔径引入系统误差，如图1(c)所示，与孔径的大小成正比，同时注入粒子数目与孔径大小相关，为了保证注入粒子数目，注入孔经又要保持一定大小。另外传统的磁谱仪忽略了对注入孔结构设计的重视，容易使带点粒子未进入均匀场区前受泄露、边缘不均匀磁场的偏转，导致粒子不能沉积到计算落点，加大测量误差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，大幅减少了注入孔径引入的系统误差，并降低了在注入过程中带电粒子受到外界的干扰。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，其特点在于包括如下步骤：

步骤1)设计探测器底拖的形状来限定探测介质的位置，使该探测面的面型满足双曲线型，方程式如下：

其中，是注入孔直径，x和y是以带电粒子注入孔中心为原点，以带电粒子入射方向为y轴，以垂直于磁感应平面并经过原点，且与y轴垂直的直线为x轴建立的坐标系。

步骤2)构建磁谱仪，具体如下：

将两块磁源同向固定于框体的上下两侧，使两块磁源之间形成均匀磁场；

将封板与磁源外部紧贴，并固定在框体上，构建磁通路，并屏蔽磁场；

在所述的框体的一侧面开设左右两个限位槽，两个限位槽的中间开设注入孔，并插入注入孔结构，在该框体的另一侧面设有与该注入孔同轴的准直孔；

将探测器介质分别贴合到两个探测器底拖的探测面上，将两个探测器底拖分别放入限位槽，探测面朝内。

所述注入孔结构的材料由导磁性好材料制成，用于限制收集带电粒子数量、磁谱仪准直和屏蔽注入过程受到磁场的影响；

磁体结构用于生成均匀磁场，分离带电粒子能谱；双曲线型探测介质底拖用于放置探测介质并限定其位置；探测介质是记录带电粒子响应的器件，可使用成像板或类似器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据带电粒子束初级聚焦位置符合双曲线特点设计底拖，极大消减了注入孔引入的系统误差；

2)粒子通过的有效区域多位置磁场中心，受边界效应影响小，测量精度显著提高；

3)结构紧凑

附图说明

图1为传统的磁谱仪构型装配图，(a)为整体图，(b)为侧视图，(c)为(b)中A-A 面的剖视图，其中圆弧曲线表示带电粒子飞行轨迹，起辅助说明；

图2为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的装配图，(a)为结构图，(b)为爆炸图；

图3为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的侧视图；

图4为图3中A-A面的剖视图，其中圆弧曲线表示带电粒子飞行轨迹，起辅助说明；

图5为坐标系下带电粒子飞行轨迹和误差说明示意图。

图中：1为封板；2为框体；3为注入孔；4为探测器底拖；5为准直孔；6 为磁源；7为探测介质；8为探测器底拖插入板；9为注入孔结构。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明，本发明的方式包括但不限于此实施例。

请参阅图2，图2为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的装配图，(a)为结构图，(b)为爆炸图。如图所示，使用两块性能稳定的永磁铁作为磁源6，结合导磁性好的生铁或低碳钢作为框体2和封板1，组成均匀封闭的、满足设计强度的磁场区域(一般选择中间均匀的磁场区域作为工作区)；

在框体的前后位置开两个同轴心孔，用于谱仪准直定位，其一为准直孔5，其二为注入孔3，用于放置注入孔结构9，为了减少高能粒子的影响，将准直孔打大一点，使高能粒子飞离磁谱仪；

注入孔结构9由导磁性好的生铁或低碳钢制作，能够优异的屏蔽外部磁场影响。注入孔3的口径决定入射粒子数目，提高口径加工精度以减少计算带电粒子数目误差，同时避免孔径内毛刺对粒子束偏转的干扰；

为了减少注入孔孔径造成的系统误差，根据理论计算，入射的带电粒子束的会在磁场中多次聚焦，如图4，粒子束从原点沿y轴正方向入射，初级焦线位置满足双曲线方程：

其中是注入孔直径，x和y是以带电粒子注入孔中心为原点，以带电粒子入射方向为y轴，以垂直于磁感应平面并经过原点，且与y轴垂直的直线为x轴建立的坐标系。使注入孔径引入的相对误差为：

其中E(r)表示偏转半径为r的粒子动能，相比图1的经典磁谱仪：

引入的系统误差减少至少50％，同时减小了均匀磁场区域的大小，减小了磁谱仪的大小；

探测介质7采用成像板或类似器件，使用时，将其固定在探测器底拖上，为了使探测器成双曲线型放置，故将探测器底拖加工成双曲线型，然后将探测器底拖插入框体的限位槽中，另外探测器底拖与框体接触部分用导磁性材料制作，避免磁场从此处泄露；

根据带电粒子在磁场中受力特点，正电粒子和负电粒子分别向两侧偏转，两侧探测介质可分别获取能谱信息；

读数据时，需要将探测介质展开，探测介质位置与偏转半径的关系：

其中x_c表示探测介质初始位置横坐标值，此式子可求数值积分，考虑相对论情况，粒子偏转半径与粒子动能关系：

粒子动能单位为eV,其中，m是粒子质量，c为真空光速，e为电子电荷，q为粒子电荷，B为磁感应强度，根据以上两个式子，结合探测介质对粒子的响应率，可以获得带电粒子能谱。

本实施例中，磁感应强度为600Gs，均匀区域为等腰直角三角形，底边为 100mm，磁源可选用两块性能稳定的铁氧体，尺寸为底边长135.42mm的等腰直角三角形和另一边长为32.93mm的长方形构成的五角型，厚度为5mm，一般使磁源尺寸大于均匀场区20mm，配合优良的导磁材料加工的封盖，可使得中间均匀区的峰谷值控制到2％以内，减小测量误差。封盖由用低碳钢做成的中框和封板经装配固定组成，厚度可取为5mm，尺寸可依次推算。本例中磁场厚度为10mm。

在中框上开有两个同轴心直径4mm的孔，位置如图3所示。设置注入孔结构插入到前孔中，材料为黑化处理低碳钢，内径为3±0.01mm，外径4mm，长为31.53mm，中框外留有5mm，且外径应稍大，里面正好到均匀场区。

探测介质底拖磁场内区域厚度为8mm，面型根据方程(1)计算设计，坐标中心为诸如结构内端面圆心，结合探测介质厚度，使探测介质曝光面位于均匀磁场区，底拖外面装有把手，方便插拔。探测介质可选用成像板，宽度可为8mm，长度可为70mm，固定在底拖表面。

使用时，将本磁谱仪侧放或平躺放固定，使用激光笔通过准直孔，使注入孔对准发射源。

若将磁场方向设置为图3中的方向，左侧探测器获得带负电的粒子，如负电子，右侧探测器测得带正电粒子，如正电子、质子或其他离子。根据本设计和方程(5)，可测电子最大动能约为523keV，可测质子最大动能约为430eV。

根据式(3)计算，因口径引入的系统误差，相比传统方式测量电子，在5keV 处减少10倍，10keV处减少14倍，100keV处减少近似100倍，500keV处减少 133倍。

因此，此发明的磁谱仪可以显著的减少注入孔径引入的系统误差。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1)设计探测器底拖的形状来限定探测介质的位置，使该探测面的面型满足双曲线型，方程式如下：

其中，是注入孔直径，x和y是以带电粒子注入孔中心为原点，以带电粒子入射方向为y轴，以垂直于磁感应平面并经过原点，且与y轴垂直的直线为x轴建立的坐标系；

步骤2)构建磁谱仪，具体如下：

将两块磁源同向固定于框体的上下两侧，使两块磁源之间形成均匀磁场；

将封板与磁源外部紧贴，并固定在框体上，构建磁通路，并屏蔽磁场；

在所述的框体的一侧面开设左右两个限位槽，两个限位槽的中间开设注入孔，并插入注入孔结构，在该框体的另一侧面设有与该注入孔同轴的准直孔；

将探测器介质分别贴合到两个探测器底拖的探测面上，将两个探测器底拖分别放入限位槽，探测面朝内。

2.根据权利要求1所述的测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，其特征在于，所述注入孔结构的材料由导磁性好材料制成。