CN108345027B

CN108345027B - 一种能谱仪

Info

Publication number: CN108345027B
Application number: CN201810218554.7A
Authority: CN
Inventors: 孙奥; 王静; 张文海; 尚万里; 侯立飞; 杜华冰; 杨国洪; 车兴森; 韦敏习; 杨轶濛; 易涛
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: CN108345027A

Abstract

本发明提供了一种能谱仪，涉及粒子能谱诊断技术领域。能谱仪应用于高能离子、电子和重离子的能谱测量，能谱仪包括准直组件、磁场产生组件、电场产生组件和照相组件；准直组件包括承托面板以及安装在承托面板上的准直板，准直板上开设有准直孔；磁场产生组件包括磁轭和安装在磁轭上的磁体；电场产生组件可相对准直组件滑动，电场产生组件包括相对设置的平行电极板和异形电极板，异形电极板包括相连的平行部和楔形部，平行部与平行电极板平行，楔形部相对平行部向远离平行电极板的方向倾斜预设角度；照相组件对应磁场产生组件和电场产生组件安装。该能谱仪能够同时进行电子与离子的能谱测量，也能够对重离子实现分离并进行能谱测量。

Description

一种能谱仪

技术领域

本发明涉及粒子能谱诊断技术领域，具体而言，涉及一种能够应用于高能离子、电子和重离子的能谱测量的能谱仪。

背景技术

激光等离子体加速器的快速发展离不开对于束流参数的表征。明晰束流参数可以得到加速器的实际效能，对于加速器加速的离子以及电子进行比较好的表征，同时，束流参数也可以反过来对激光的性质进行推导，得知激光打靶的情况等，所以能谱仪显得相当重要。

汤姆森离子谱仪是在二十世纪初由Tomson提出的，它的一个更加直观的名字是汤姆森抛物线离子谱仪(Thomson Parabola Spectrometer)。其基本技术原理是通过电场以及磁场对带电粒子的偏转能力，在能谱仪接收端接收离子径迹图。离子径迹图不同位置可以表示出离子的不同种类以及粒子所携带的不同的能量，通过对强度的标定还能够得到对应能量的强度或者说电荷数等信息，这便是汤姆森抛物线离子谱仪的主要使用原理。

发明内容

本发明实施例提供一种能谱仪，其能够同时进行电子与离子的能谱测量，也能够对重离子实现分离并进行能谱测量。

本发明实施例提供的技术方案：

一种能谱仪应用于高能离子、电子和重离子的能谱测量，所述能谱仪包括准直组件、磁场产生组件、电场产生组件和照相组件；

所述准直组件包括承托面板以及安装在所述承托面板上的准直板，所述准直板上开设有准直孔；

所述磁场产生组件包括磁轭和安装在所述磁轭上的磁体；

所述电场产生组件可相对所述准直组件滑动，所述电场产生组件包括相对设置的平行电极板和异形电极板，所述异形电极板包括相连的平行部和楔形部，所述平行部与所述平行电极板平行，所述楔形部相对所述平行部向远离所述平行电极板的方向倾斜预设角度；

所述照相组件对应所述磁场产生组件和所述电场产生组件安装。

进一步地，所述平行部与所述平行电极板之间的间距为12mm，所述预设角度为7.13°。

进一步地，所述平行电极板包括第一部分和第二部分，所述第一部分与所述平行部对应设置，所述第二部分与所述楔形部对应。

进一步地，所述楔形部的宽度大于所述平行部的宽度，所述第二部分的宽度大于所述第一部分的宽度。

进一步地，所述电场产生组件还包括电极板支架，所述电极板支架上开设有四条凹槽，四条所述凹槽分别与所述第一部分、所述第二部分、所述平行部以及述楔形部过盈配合。

进一步地，所述电场产生组件还包括电极板外壳，所述电极板外壳套设在所述电极板支架、所述平行电极板和所述异形电极板的外部。

进一步地，所述磁轭为C字形结构，两个所述磁体通过磁力安装在所述磁轭内部的相对两侧。

进一步地，所述磁体的连接面的面积小于所述磁轭的连接面的面积。

进一步地，所述准直组件还包括塑料块和铅块，所述塑料块设置在所述铅块的一侧，所述铅块插入在所述承托面板的方孔内，所述准直板安装在所述承托面板上相对所述塑料块的另一侧。

进一步地，所述能谱仪还包括底板，所述底板上设置有侧板，所述磁场产生组件和所述电场产生组件安装在所述侧板与所述承托面板之间。

本发明实施例提供的能谱仪的有益效果是：

1、可以同时对电子以及离子的能谱进行测量。

2、实现了对重离子的离子径迹分离与能谱诊断。

3、获得了更好的能谱测量范围和能量分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的能谱仪的整体外形结构示意图。

图2为图1中沿线A-A的剖切结构示意图。

图3为图1中沿线B-B的剖切结构示意图。

图4为本发明实施例提供的能谱仪的分解结构示意图。

图5为图4中准直组件的分解结构示意图。

图6为图5中磁场产生组件的结构示意图。

图7为图5中电极板支架的结构示意图。

图8为图5中电场产生组件的结构示意图。

图9为图5中电场产生组件的分解结构示意图。

图10为电场产生组件的功能原理图。

图11为能谱仪记录的离子抛物谱线。

图12为图11中方框标注区域放大后的图像，显示了在尾端Au⁴⁰⁺和Au³⁹⁺的谱线分离。

图13为电子的相对能量分辨率曲线。

图14为质子的相对能量分辨率曲线。

图标：100-能谱仪；10-准直组件；11-塑料块；12-铅块；13-承托面板；14-准直板；20-磁场产生组件；21-磁轭；22-磁体；30-电场产生组件；31-平行电极板；311-第一部分；312-第二部分；32-异形电极板；321-平行部；322-楔形部；33-电极板支架；331-凹槽；34-电极板外壳；40-照相组件；41-电子荧光板；42-CCD探测器；50-底板；51-侧板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

关于能谱仪，目前有很多不同的设计，比如电场在磁场外、电场在磁场内或者电场一部分包含在磁场内，针对磁场以及电场的形状也有很多不同的设计。但是目前根据汤姆森离子谱仪设计的能谱仪，都存在一些问题或者不足，具体的缺陷或不足如下：

1、不能够同时进行电子与离子的能谱测量。

2、在有限空间内，不能保证电场对带电粒子的强偏转能力的同时，避免相对低能粒子被电极板拦截。

3、目前还没有能谱仪能够对高能重离子实现分离，并且测量其能谱数据。

请参阅图1至图4，本实施例提供了一种能谱仪100，能够应用于高能离子、电子和重离子的能谱测量。能谱仪100包括准直组件10、磁场产生组件20、电场产生组件30和照相组件40。照相组件40对应磁场产生组件20和电场产生组件30安装。照相组件40包括电子荧光板41和CCD探测器42。

请参阅图5，准直组件10包括塑料块11、铅块12、承托面板13和准直板14。塑料块11设置在铅块12的一侧，铅块12插入在承托面板13的方孔内，准直板14安装在承托面板13上相对塑料块11的另一侧，准直板14上开设有准直孔。

准直板14承担着准直电子以及离子的作用，因为电子以及离子的穿透能力相差极大，所以电子以及离子的屏蔽材料也不相同。为了实现电子、离子的同时测量，本实施例中，设计了分层次的准直板14，并且为其设计了带有不同固定大小的承托面板13。离子的穿透能力弱，使用铁或者铝材料作为准直挡板即可，并且厚度不需要太厚，那么为了得到更高分辨率的图像，将离子的准直孔直径设置比较小，为100微米。

电子的穿透能力很强，普通材料阻挡不了电子，所以采用了塑料块11加铅板的设计，塑料块11对于电子的阻挡作用很明显，塑料块11可以采用聚四氟乙烯材料制成，可以用于真空中。高能电子与塑料块11作用会产生很多次级辐射，激光尾波场加速电子过程中也会产生很多X射线，后面的铅块12便可以对这些辐射进行屏蔽，减少背景射线对能谱仪100后面的闪烁体、电子荧光板41以及CCD探测器42等探测物质的干扰。电子的准直孔由于材料以及厚度等原因无法开的比较小，所以电子的准直孔直径设置为400微米。

在其他实施例中，可以将准直孔设计为准直狭缝对电子进行准直，准直狭缝容易操作，而且由于电子的径迹最后呈现为一条直线，所以如果准直是通过狭缝实现，本质上只会增加纵向的信息，对于横向的信息不会产生干扰。

本实施例中，承托面板13和准直板14之间是分离设计，可以在承托面板13上更换不同的准直板14，实现不同诊断环境、不同强度、不同目标粒子的能谱测量，大大提高了能谱仪100测量的灵活度。

请参阅图6，磁场产生组件20包括磁轭21和安装在磁轭21上的磁体22；磁体22需要高的充磁使得中心磁场能够将5MeV的质子加速到照相装置接收图像的边缘。磁体22可选为汝铁硼磁铁。

磁轭21为C字形结构，两个磁体22通过磁力安装在磁轭21内部的相对两侧。磁轭21能够在两块磁体22之间导磁，防止漏磁造成周围磁场出现紊乱，而且起到增强中心磁场，均匀中心磁场的作用。磁轭21的设计需要略比磁体22本身大，磁体22的连接面的面积小于磁轭21的连接面的面积，防止边缘出现陡变。

磁轭21并未采用全包式设计，而是C字形结构，磁轭21的开口是考虑到对于电子的接收。照相装置的电子荧光屏设计在紧贴磁轭21的位置，一是为了控制整体结构的体积，二是因为电子荧光屏的长度大致只能做到30cm左右，为了测量更高能量的电子，便需要在更近电子的位置对电子进行测量，但是电子荧光屏也不能进入到磁轭21中，所以便设置在紧贴磁轭21的位置。

请参阅图7至图9，电场产生组件30可相对准直组件10滑动，使电场与磁场部分重叠，或者使电场位于磁场的外部。电场产生组件30包括相对设置的平行电极板31和异形电极板32。

异形电极板32包括相连的平行部321和楔形部322，平行部321与平行电极板31平行，楔形部322相对平行部321向远离平行电极板31的方向倾斜预设角度；可选地，平行部321与平行电极板31之间的间距为12mm，预设角度为7.13°。

平行电极板31包括第一部分311和第二部分312，第一部分311与平行部321对应设置，第二部分312与楔形部322对应。楔形部322的宽度大于平行部321的宽度，第二部分312的宽度大于第一部分311的宽度。这样，带电离子经过磁场偏转后，出射的径迹为斜直线，在到达照相装置之前的过程中，为了防止相对低能的离子打在电场产生组件的部件上，于是将楔形部322的宽度设计为大于平行部321的宽度，从而避免低能离子被挡住。

电场产生组件30还包括电极板支架33，电极板支架33的材料采用塑料材质，具体可用四氟乙烯。电极板支架33上开设有四条凹槽331，四条凹槽331分别与第一部分311、第二部分312、平行部321以及述楔形部322过盈配合。

电场产生组件30还包括电极板外壳34，电极板外壳34套设在电极板支架33、平行电极板31和异形电极板32的外部，从而将电场产生组件30形成一个整体，方便移动和拆装。

本实施例中，平行电极板31与异形电极板32的组合使用，这样可以使带电粒子在电场中得到充分偏转，同时避免了在电极板的出口端相对低能、但在理想能量测量区间的离子击打在电极板上，不会影响能谱测量的完整性，也避免了离子击打在电极板上引起的电场不可测的震荡。

质量为m，电荷量为q，速度为v的离子经过平行电极板31与异形电极板32形成的电场，离子受电场力作用产生纵向漂移的距离。具体的，离子受到电场力的作用，在设置的每个z位置，可以将离子加速度表示出来：

其中：

那么，可以实时的将在每个z位置的y方向上的速度表示出来：

在异形电极板32的楔形部322的出口处，就可以将离子受电场力所产生的y方向的偏移距离S_y求出：

在前面算过离子经过平行部321形成的电场之后总的漂移距离为：

离子首先经过平行部321形成的电场，之后经过楔形部322形成的电场，计算比较复杂，但是根据S_y与S_y′的形式，可以发现:

所以可以得出结论，离子经过电场偏转的纵向运动距离满足关系：

加上之前已经算过的离子经过磁场偏转的横向运动距离满足：

从以上可以看出，就算是电场与磁场并不在同一个区域、具有同样的大小，最后只要满足在同一个平行于磁感线方向与电场方向的接收屏上接受，那么不同种类、不同能量的离子，在接收屏上都会呈现出具有抛物线特征的形状，并且不同抛物线对应的不同荷质比的离子，而同一抛物线上的不同位置对应不同的能量请参阅图11和图12。

本实施例中，采用异形电极板32相对于采用平行电极板，能够使电场对离子的冲量相比于相同长度的普通电场对离子的冲量多40％，具体分析如下：

请参阅图10，令楔形部322的延长线相交于平行电极板31，交点与楔形部322的平行距离为z₀，平行部321与平行电极板31的第一部分311之间的距离为d，第一部分311的长度为l₁，第二部分312的长度为l₂，电极板之前的电压都为U。楔形部322的长度为z，那么楔形部322与第二部分312之间电场的电场强度为：

其中E(z)表示z处的电场强度，可以设想如果一块具有相同偏转出射角度的平行电极板31，设置与楔形部322相同的电压，那么平行电极板31之间的距离约等于楔形部322最宽处的距离。带电荷量为q、速度为v的离子，在经过楔形部322电场之后，电场对离子的冲量P为：

而如果相同的离子经过上述具有与楔形部322相同偏转出射角的平行电极板31形成的电场，那么电场对离子的冲量P′为：

在这里直接代入已经设计好的数据，在设计中θ＝7.13°，最窄处的距离d-12mm，所以l₂在设计中的长度为100mm，那么代入就有：

(P-P＇)/P＇≈40％

这是基于设计中的数据进行的计算，理论上楔形部322的电场对离子的冲量相比于相同长度的普通电场对离子的冲量多了40％，这一数据对于实际中是很有意义的，特别是对于高能离子的分辨。所以，相对于同样偏转角度的电场来说，包括楔形部322的异形电极板32具有平行电极板31不可比拟的优势，利用楔形部322作为后半部偏转的能谱仪100具有更高的能量分辨率。

本实施例中，采用了电场磁场分离式设计，电场产生组件30可相对准直组件10滑动，这样的设计使得电磁场之间的相对位置可以改变，对于不同的离子，可以通过改变电磁场之间的相对位置，达到测量离子能谱的目的。比如为了诊断重离子能谱，首先需要对其进行粒子径迹的分离，那么为了让其能够在电场作用下更好的分离，可以将电场往准直装置的方向移动，增加其漂移距离，电场产生组件30的前端较小，能够伸进磁场产生组件20中，相当于磁场中叠加了一部分电场，使得重离子在最后图像接收端完成径迹分离，实现离子的能谱诊断。

请参阅图4，能谱仪100还包括底板50，底板50上设置有侧板51，磁场产生组件20和电场产生组件30安装在侧板51与承托面板13之间。

本实施例提供的能谱仪100根据所需要测量的目标粒子，通过调节电磁场之间的距离，适用于不同的测量粒子，如果测量电子与高能轻离子，调节电场在磁场外部，并且距离为1cm，如果测量重离子，调节电场前端位置几乎抵近准直板14但是未接触，调节完毕后固定相对位置。

本实施例提供的能谱仪100的有益效果：

1、能谱仪100在磁场区域分出一半的区域进行电子的偏转，模拟传统的电子质谱仪。因为在激光等离子体加速器中所产生的带负电粒子就是电子，无需额外的粒子分离，可以直接在电子荧光板41成像并解谱得到电子能谱，所以可以同时对电子以及离子的能谱进行测量。

2、实现了对重离子的离子径迹分离与能谱诊断。

3、获得了更好的能谱测量范围和能量分辨率，电子的能谱测量范围为2.6MeV至72MeV，而相对能量分辨率则一直能够保持在1.4％以下请参阅图13。而质子的能谱测量范围可以达到4.2MeV至80MeV，所能测量的质子能量最大值超过现在激光等离子体加速器产生的最大质子能量，很好的覆盖实验室的需求区，同时其他碳氧离子的测量范围也满足要求。离子的能量分辨率方面以质子的能量分辨率为例，5MeV的质子的相对能量分辨率为1％左右，而15MeV的质子相对能量分辨率为2.1％左右请参阅图14，这个数据远远好于目前服役的离子谱仪的分辨率，最高的80MeV能量质子的相对能量分辨率也有4.3％，这个数据同样很出色。在高能端，质子的抛物线并没有和碳氧离子区融合，所以质子的高能区能量分辨能力很强。而对于碳离子与氧离子来说，几种主要价态的离子：c⁴⁺、c⁵⁺、c⁶⁺、o⁶⁺、o⁷⁺都能够在高能端(9MeV/u)分开，而主要能量探测区域几十MeV区域都能够达到很好的分辨。对于重离子，可以实现Au⁴⁰⁺和Au³⁹⁺在94MeV左右，即0.5MeV/u左右的径迹分离，在此能区可以实现能谱测量，并且相对能量分辨率能够保持在2％以下。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能谱仪，应用于高能离子、电子和重离子的能谱测量，其特征在于，所述能谱仪包括准直组件（10）、磁场产生组件（20）、电场产生组件（30）和照相组件（40）；

所述准直组件（10）包括承托面板（13）以及安装在所述承托面板（13）上的准直板（14），所述准直板（14）上开设有准直孔；

所述磁场产生组件（20）包括磁轭（21）和安装在所述磁轭（21）上的磁体（22）；

所述电场产生组件（30）可相对所述准直组件（10）滑动，所述电场产生组件（30）包括相对设置的平行电极板（31）和异形电极板（32），所述异形电极板（32）包括相连的平行部（321）和楔形部（322），所述平行部（321）与所述平行电极板（31）平行，所述楔形部（322）相对所述平行部（321）向远离所述平行电极板（31）的方向倾斜预设角度；

所述照相组件（40）对应所述磁场产生组件（20）和所述电场产生组件（30）安装；

所述平行部（321）与所述平行电极板（31）之间的间距为12mm，所述预设角度为7.13；

所述平行电极板（31）包括第一部分（311）和第二部分（312），所述第一部分（311）与所述平行部（321）对应设置，所述第二部分（312）与所述楔形部（322）对应。

2.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于，所述楔形部（322）的宽度大于所述平行部（321）的宽度，所述第二部分（312）的宽度大于所述第一部分（311）的宽度。

3.根据权利要求2所述的能谱仪，其特征在于，所述电场产生组件（30）还包括电极板支架（33），所述电极板支架（33）上开设有四条凹槽（331），四条所述凹槽（331）分别与所述第一部分（311）、所述第二部分（312）、所述平行部（321）以及述楔形部（322）过盈配合。

4.根据权利要求3所述的能谱仪，其特征在于，所述电场产生组件（30）还包括电极板外壳（34），所述电极板外壳（34）套设在所述电极板支架（33）、所述平行电极板（31）和所述异形电极板（32）的外部。

5.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于，所述磁轭（21）为C字形结构，两个所述磁体（22）通过磁力安装在所述磁轭（21）内部的相对两侧。

6.根据权利要求5所述的能谱仪，其特征在于，所述磁体（22）的连接面的面积小于所述磁轭（21）的连接面的面积。

7.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于，所述准直组件（10）还包括塑料块（11）和铅块（12），所述塑料块（11）设置在所述铅块（12）的一侧，所述铅块（12）插入在所述承托面板（13）的方孔内，所述准直板（14）安装在所述承托面板（13）上相对所述塑料块（11）的另一侧。

8.根据权利要求1所述的能谱仪，其特征在于，所述能谱仪还包括底板（50），所述底板（50）上设置有侧板（51），所述磁场产生组件（20）和所述电场产生组件（30）安装在所述侧板（51）与所述承托面板（13）之间。