CN109459784B - 一种大动态汤姆逊离子谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态汤姆逊离子谱仪，包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；磁场发生装置内部具有第一离子通道，第一离子通道的一端连接准直器，另一端连接绝缘环；电场发生装置内部具有第二离子通道，第二离子通道的一端连接绝缘环，另一端与成像板相对；本发明通过绝缘环将磁场部分和电场部分分开，一方面可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险，另一方面，低能端离子只需较短距离的电场方向偏移，从而防止低能离子打在电极板上，这样增加了低能端诊断阈值，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围。

Description

一种大动态汤姆逊离子谱仪

技术领域

本发明涉及等离子物理和核探测领域，特别是涉及一种大动态汤姆逊离子谱仪。

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。入射离子通过准直通孔进入汤姆逊谱仪，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。专利CN206362939U公开了一个基于halbach二极磁铁的汤姆逊谱仪，可以做到尺寸紧凑，能谱分辨率高，但是诊断的能量阈值较高(>4MeV)，高电压存在一定风险，且瞄准和探测器安装使用起来不太便捷。为此我们在前一台汤姆逊谱仪的基础上提出了改进，一方面可以诊断更低阈值的质子，提高了诊断的动态范围，另一方面解决了高压风险，同时在瞄准以及探测器安装方面也更便捷。

发明内容

本发明的目的是提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，使诊断的能力阈值较低，提高了汤姆逊离子谱仪的诊断的范围，同时降低了高压风险。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大动态汤姆逊离子谱仪包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；

所述磁场发生装置内部具有第一离子通道，所述第一离子通道的一端连接准直器，另一端连接所述绝缘环；

所述电场发生装置内部具有第二离子通道，所述第二离子通道的一端连接所述绝缘环，另一端与所述成像板相对；

离子依次通过所述第一离子通道和所述第二离子通道打到所述成像板上；

所述电场发生装置包括电极板，所述电极板为两块相互平行的楔形金属板，所述楔形金属板的楔形由四个直角边和一个斜边构成；两个所述楔形金属板的斜边组成的平面和成像板所在平面平行。

可选的，所述磁场发生装置包括Halbach二级磁铁、环形磁场屏蔽铁和环形装配环；

所述Halbach二极磁铁为带轴向通孔的环形柱体，所述带轴向通孔的环形柱体由八瓣弧度均为45°的柱状体组成，所述八瓣弧度均为45°的柱状体的极化方向不同；

所述环形磁场屏蔽铁的内径与所述Halbach二级磁铁的内径相等，所述环形磁场屏蔽铁的外径与所述Halbach二级磁铁的外径相等；

所述绝缘环为环形柱体，所述绝缘环的内径与所述Halbach二极磁铁的内径相等；

所述环形装配环的外径与所述绝缘环的外径相等；

所述环形磁场屏蔽铁、所述Halbach二极磁铁和所述绝缘环以所述Halbach二极磁铁的环形柱体所在中心轴线依次同轴贴合；

所述环形磁场屏蔽铁与所述Halbach二级磁铁的外侧包设有所述环形装配环。

可选的，所述Halbach二极磁铁的外径与所述Halbach二极磁铁的内径之比为2.5:1，所述Halbach二极磁铁的高度与所述Halbach二极磁铁的内径之比为1.5:1。

可选的，所述的大动态汤姆逊离子谱仪，还包括成像板夹具和瞄准装置；所述成像板夹具的一端设有插槽，所述成像板通过所述插槽插入所述成像板夹具；所述瞄准装置包括长方形金属板、位于所述长方形金属板上的瞄准孔、与金属板相连的激光孔和激光器，所述激光器设置在所述激光孔内。

可选的，所述电场发生装置还包括电极板绝缘装配盒、金属盒和电源线；所述电极板绝缘装配盒和所述金属盒均为两端开口的壳体，所述电极板固定在所述电极板绝缘装配盒内，所述电极板绝缘装配盒设置在所述金属盒内，所述电极板绝缘装配盒的一端与所述绝缘环相连，所述金属盒的一端通过转接盘与所述绝缘环相连，所述金属盒的另一端与所述瞄准装置相连；所述金属盒的一侧设置长方形绝缘块，在所述金属盒上设有所述长方形绝缘块的一侧打接线孔，所述接线孔穿过所述长方形绝缘块和所述电极板绝缘装配盒，所述电源线通过麻花针由所述接线孔接入所述电极板，所述长方形绝缘块使所述电源线与所述金属盒绝缘；

所述成像板夹具从所述金属盒与电极板相垂直的一侧插入所述金属盒，所述成像板夹具与所述瞄准装置的瞄准孔相对的位置设有通孔；所述激光器发出的光穿过所述成像板夹具从所述准直器的准直通孔射出。

可选的，所述激光器在所述电场发生装置的电场方向上偏离所述第一通道的中心轴线3-5mm，在垂直所述电场方向上偏离所述第一通道的中心轴线8-12mm。

可选的，所述准直器为圆柱体，准直通孔沿垂直磁场方向距离所述准直器的中心轴8-12mm。

可选的，所述成像板与两块所述电极板的斜边组成的平面的距离大于10mm，所述成像板的探测面为矩形，所述成像板的宽度大于两块所述电极板之间距离。

可选的，两块所述楔形平行金属板的每个转角处为圆角。

可选的，所述第一通道的中心轴线与两块所述电极板平行的中心平面的距离为3-5mm。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，通过绝缘环将磁场部分和电场部分分开，一方面可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险，另一方面，低能端离子只需较短距离的电场方向偏移，从而防止低能离子打在电极板上，这样增加了低能端诊断阈值，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围；

(2)本发明中电极板与周围金属材料距离均大于10mm，且使用麻花针插入式安装可以有效解决金属极板表面粗糙，从而能够承受更高的电压，实现更高能量的离子种类分辨；

(3)本发明中成像板夹具上开有插槽，可以方便成像板的插取；成像板夹具与瞄准装置用夹具分开，可以方便瞄准装置和探测器的安装，减少实验探测器瞄准时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例一种大动态汤姆逊离子谱仪的第一剖面示意图；

图2为本发明实施例一种大动态汤姆逊离子谱仪的第二剖面示意图；

图3为本发明实施例一种大动态汤姆逊离子谱仪的电极板示意图；

图4为本发明实施例一种大动态汤姆逊离子谱仪的成像板夹具示意图；

图5为本发明实施例一种大动态汤姆逊离子谱仪的准直通孔位置示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，增加了低能端诊断阈值，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5为本发明公开的一种大动态汤姆逊离子谱仪，包括：准直器1、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环6；

磁场发生装置内部具有第一离子通道，第一离子通道的一端连接准直器1，另一端连接绝缘环6；

电场发生装置内部具有第二离子通道，第二离子通道的一端连接绝缘环6，另一端与成像板相对；

离子依次通过第一离子通道和第二离子通道打到成像板上；

电场发生装置包括电极板8，电极板8为两块相互平行的楔形金属板，楔形金属板的楔形由四个直角边和一个斜边构成；两个楔形金属板的斜边组成的平面和成像板所在平面平行。

一种大动态汤姆逊离子谱仪还包括成像板夹具10和瞄准装置12；成像板夹具10的一端设有插槽，成像板通过插槽插入成像板夹具10；瞄准装置12包括长方形金属板、位于长方形金属板上的瞄准孔、与金属板相连的激光孔和激光器，激光器设置在激光孔内，激光器发出的激光对准瞄准孔。

电场发生装置还包括电极板绝缘装配盒9、金属盒和电源线11；电极板绝缘装配盒9和金属盒均为两端开口的壳体，电极板8固定在电极板绝缘装配盒9内，电极板绝缘装配盒9设置在金属盒内，电极板绝缘装配盒9的一端与绝缘环6相连，金属盒的一端通过转接盘7与绝缘环6相连，金属盒的另一端与瞄准装置12的长方形金属板相连；金属盒的一侧设置长方形绝缘块，长方形绝缘块替换金属盒原部位的金属块，在金属盒上设有长方形绝缘块的一侧打接线孔，接线孔穿过长方形绝缘块和电极板绝缘装配盒9，电源线11通过麻花针由接线孔接入电极板8，长方形绝缘块使电源线与金属盒绝缘；电极板8与周围金属材料距离均大于10mm；

成像板夹具10从金属盒与电极板相垂直的一侧插入金属盒，成像板夹具10与瞄准装置12的瞄准孔相对的位置设有通孔；激光器发出的光穿过成像板夹具10从准直器1的准直通孔2射出。

准直器1为圆柱体，准直通孔2沿垂直磁场方向距离准直器1的中心轴8-12mm，准直通孔2用于限制进入大动态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。

图5为一种大动态汤姆逊离子谱仪的准直通孔位置示意图，如图5所示，虚直线为电极板的中心平面的直线，实直线为Halbach二极磁铁4的中心平面的直线，中心轴线13所在位置与准直通孔2的距离为8-12mm。

磁场发生装置包括Halbach二级磁铁4、环形磁场屏蔽铁3和环形装配环5；

Halbach二极磁铁4为带轴向通孔的环形柱体，带轴向通孔的环形柱体由八瓣弧度均为45°的柱状体组成，所述八瓣弧度均为45°的柱状体的极化方向不同；Halbach二极磁铁4的圆柱体外直径10cm，内直径4cm，高度6cm。

环形磁场屏蔽铁3的内径与Halbach二级磁铁4的内径相等，环形磁场屏蔽铁3的外径与Halbach二级磁铁4的外径相等；

绝缘环6为环形柱体，绝缘环6的内径与Halbach二极磁铁4的内径相等；

环形装配环5的外径与绝缘环6的外径相等，绝缘环6的厚度大于10mm；

环形磁场屏蔽铁3、Halbach二极磁铁4和绝缘环6以Halbach二极磁铁4的环形柱体所在中心轴线依次同轴贴合；

环形磁场屏蔽铁3与述Halbach二级磁铁4的外侧包设有环形装配环5。

Halbach二极磁铁4的外径与Halbach二极磁铁4的内径之比为2.5:1，Halbach二极磁铁4的高度与Halbach二极磁铁4的内径之比为1.5:1。

电极板8靠近Halbach二极磁铁4的一端宽度为82mm，远离磁铁一端的宽度29mm。

成像板与两个电极板8的斜边组成的平面的距离大于10mm，成像板的探测面为矩形，宽度为14mm，成像板的宽度大于两个电极板之间距离，成像板所在平面与Halbach二极磁铁4的中心轴线有夹角，成像板夹具10从电极板平行的方向插入大动态汤姆逊离子谱仪。

两块楔形平行金属板的每个转角处为圆角。

第一通道的中心轴线与两块电极板8平行的中心平面的距离为3-5mm。

激光器在电场发生装置的电场方向上偏离第一通道的中心轴线4mm，在垂直所述电场方向上偏离第一通道的中心轴线10mm。

离子能谱诊断范围为0.5-50MeV，且在50MeV能量附近能谱分辨好于5％。

本发明提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，通过绝缘环将磁场部分和电场部分分开，一方面可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险，另一方面，低能端离子只需较短距离的电场方向偏移，从而防止低能离子打在电极板上，这样增加了低能端诊断阈值，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围，可以实现质子能谱诊断范围为0.5MeV-50MeV，且在50MeV能量附近能谱分辨小于5％；电极板与周围金属材料距离均大于10mm，且使用麻花针插入式安装可以有效解决金属极板表面粗糙，从而能够承受更高的电压，实现更高能量的离子种类分辨；成像板夹具上开有插槽，可以方便成像板的插取；成像板夹具与瞄准装置用夹具分开，可以方便瞄准装置和探测器的安装，减少实验探测器瞄准时间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；

所述磁场发生装置内部具有第一离子通道，所述第一离子通道的一端连接所述准直器，另一端连接所述绝缘环；

所述电场发生装置内部具有第二离子通道，所述第二离子通道的一端连接所述绝缘环，另一端与所述成像板相对；

离子依次通过所述第一离子通道和所述第二离子通道打到所述成像板上；

所述电场发生装置包括电极板，所述电极板为两块相互平行的楔形金属板，所述楔形金属板的楔形由四个直角边和一个斜边构成；两块所述楔形金属板的斜边组成的平面和成像板所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述磁场发生装置包括Halbach二极磁铁、环形磁场屏蔽铁和环形装配环；

所述Halbach二极磁铁为带轴向通孔的环形柱体，所述带轴向通孔的环形柱体由八瓣弧度均为45°的柱状体组成，所述八瓣弧度均为45°的柱状体的极化方向不同；

所述环形磁场屏蔽铁的内径与所述Halbach二极磁铁的内径相等，所述环形磁场屏蔽铁的外径与所述Halbach二极磁铁的外径相等；

所述绝缘环为环形柱体，所述绝缘环的内径与所述Halbach二极磁铁的内径相等；

所述环形装配环的外径与所述绝缘环的外径相等；

所述环形磁场屏蔽铁、所述Halbach二极磁铁和所述绝缘环以所述Halbach二极磁铁的环形柱体所在中心轴线依次同轴贴合；

所述环形磁场屏蔽铁与所述Halbach二极磁铁的外侧包设有所述环形装配环。

3.根据权利要求2所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述Halbach二极磁铁的外径与所述Halbach二极磁铁的内径之比为2.5:1，所述Halbach二极磁铁的高度与所述Halbach二极磁铁的内径之比为1.5:1。

4.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，还包括成像板夹具和瞄准装置；所述成像板夹具的一端设有插槽，所述成像板通过所述插槽插入所述成像板夹具；所述瞄准装置包括长方形金属板、位于所述长方形金属板上的瞄准孔、与金属板相连的激光孔和激光器，所述激光器设置在所述激光孔内。

5.根据权利要求4所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述电场发生装置还包括电极板绝缘装配盒、金属盒和电源线；所述电极板绝缘装配盒和所述金属盒均为两端开口的壳体，所述电极板固定在所述电极板绝缘装配盒内，所述电极板绝缘装配盒设置在所述金属盒内，所述电极板绝缘装配盒的一端与所述绝缘环相连，所述金属盒的一端通过转接盘与所述绝缘环相连，所述金属盒的另一端与所述瞄准装置相连；所述金属盒的一侧设有长方形绝缘块，在所述金属盒上设有所述长方形绝缘块的一侧打接线孔，所述接线孔穿过所述长方形绝缘块和所述电极板绝缘装配盒，所述电源线通过麻花针由所述接线孔接入所述电极板，所述长方形绝缘块使所述电源线与所述金属盒绝缘；

所述成像板夹具从所述金属盒与电极板相垂直的一侧插入所述金属盒，所述成像板夹具与所述瞄准装置的瞄准孔相对的位置设有通孔。

6.根据权利要求4所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述激光器在所述电场发生装置的电场方向上偏离所述第一离子通道的中心轴线3-5mm，在垂直所述电场方向上偏离所述第一离子通道的中心轴线8-12mm。

7.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述准直器为圆柱体，准直通孔沿垂直磁场方向距离所述准直器的中心轴8-12mm。

8.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述成像板与两块所述电极板的斜边组成的平面的距离大于10mm，所述成像板的探测面为矩形，所述成像板的宽度大于两块所述电极板之间距离。

9.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，两块所述楔形金属板的每个转角处为圆角。

10.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述第一离子通道的中心轴线与两块所述电极板平行的中心平面的距离为3-5mm。