CN110927774B - 一种用于探测器的中低能电子束标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测器的中低能电子束标定装置及其标定方法，该装置包括：β放射源、二极磁铁、狭缝组件、真空系统和待标定探测器；真空系统包括真空弯管、真空靶室以及真空泵，真空泵与真空靶室相连；β放射源固定设置于一连杆的端面上，连杆由步进电机控制，使得β放射源与二极磁铁的入射口间距可调；二极磁铁设置在真空弯管的弯折处；狭缝组件设置在二极磁铁的出射口，待标定探测器置于真空靶室内，紧靠狭缝组件之后。利用β放射源产生中低能电子，通过设置二极磁铁磁场强度以及狭缝宽度，对电子的能量及动量分散度进行选择，得到满足要求的准单能电子束用于探测器标定。本发明可以广泛应用于中低能电子束标定领域。

Description

一种用于探测器的中低能电子束标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及空间探测器的标定装置，特别是涉及一种用于探测器的中低能电子束标定装置及其标定方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类加快了探索太空的步伐，主要方式有发射探测卫星和载人探索两种。由于太空中到处存在着各种辐射粒子，而这些辐射粒子主要是来自太阳以及银河系的带电粒子，如电子、质子以及各种重离子，这些带电粒子对人体、材料和元器件都有破坏作用，影响空间飞行安全。因此，研究空间辐射环境是进行空间探测的一项重要内容,对于宇航员的保护以及航天器的设计均有重要价值。

在所有辐射粒子之中，电子的数目非常多，仅次于质子。为了精确测量空间电子的能谱及分布，需要对探测器进行地面标定，然而目前能够用于探测器电子标定的装置非常少，且都存在一些不足之处。根据电子产生的来源不同，通常可用于探测器标定的主要有β放射源和电子加速器两种。下面对这两种电子源进行介绍：

β放射源一般可以产生2MeV以下的电子,由于它小巧轻便，获得电子的过程非常容易，是地面实验室开展中低能电子标定最便捷、最经济的一种方式。但也存在明显的缺点：首先，β放射源产生电子的过程主要是β衰变，由于β衰变是三体过程，中间伴随有中微子的产生，因此β放射源产生的电子能量是连续的，无法确定入射电子的能量，不适合用于探测器的能量标定。即使对于某些特定的β放射源(如²⁰⁷Bi)，还可以通过内转换的方式产生单能电子，但一方面，只能获得寥寥几种单能电子，另一方面，这几种能量的单能电子还是叠加在β衰变的连续能谱之上的，较难区分。其次，β衰变过程中，通常还伴随放出X射线与γ射线，这些射线也会与探测器发生相互作用，影响标定的准确性。

电子加速器可以产生的电子能量范围非常广，原则上可以覆盖全部标定试验的要求，其主要缺点是现有电子加速器提供的电子束流强度远高于标定探测器所需要的电子通量。曹树春等人发明的《一种探测器的高能准单能电子束地面标定系统》(专利申请号：CN201910191773.5)解决了这一问题，可以提供能量可调、通量可控的高能准单能电子束流。但该方法的主要问题在于电子加速器标定装置的造价非常昂贵，使用较为复杂，需要专业技术团队的运行与维护，不易于推广。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于探测器的中低能电子束标定装置及其标定方法，该标定装置能量可调、操作简单、成本低廉，能够产生准单能电子束，可以用于探测器的电子标定。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其包括：β放射源、二极磁铁、狭缝组件、真空系统和待标定探测器；所述真空系统包括真空弯管、真空靶室以及真空泵，所述真空泵与所述真空靶室相连，用于保证所述真空弯管和真空靶室处于真空状态；所述β放射源固定设置于一连杆的端面上，并通过所述连杆设置在所述真空弯管内，所述连杆另一端由步进电机控制，使得所述β放射源在所述步进电机控制下能够靠近或远离所述二极磁铁的入射口；所述二极磁铁设置在所述真空弯管的弯折处，并通过底座支撑和固定；所述狭缝组件设置在所述真空靶室内部，并位于所述二极磁铁的出射口；所述待标定探测器置于所述真空靶室内，紧靠所述狭缝组件之后。

进一步的，所述β放射源采用电子能量在2MeV以内的β^-放射源；所述二极磁铁采用双聚焦二极磁铁。

进一步的，所述二极磁铁的偏转半径设置为100mm，提供的磁场范围为0-700高斯。

进一步的，所述狭缝组件包括相互正交的X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件，所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件所处位置为所述β放射源所产生的电子经所述二极磁铁偏转后，色散函数达到最大值之处。

进一步的，所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件分别与一步进电机相连，由所述步进电机对所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件的狭缝宽度进行调节。

进一步的，所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件的狭缝可调节的范围为0.1-40mm。

进一步的，所述真空泵包括机械泵和分子泵，所述真空泵和分子泵通过相继工作，使得所述真空靶室和真空弯管内达到预设真空度。

进一步的，所述真空弯管的弯折角度为90度，且弯折处管道宽度大于直线段管道宽度。

本发明的第二个方面，是提供一种用于探测器的中低能电子束标定装置的标定方法，其包括以下步骤：

1)启动真空泵，使得真空靶室与真空弯管的真空度达到预设要求；

2)调节β放射源与待标定探测器的位置，使产生的电子能够实现双聚焦成像，并根据实际的标定需求，选择不同的成像比例；

3)根据实际的标定需求确定狭缝宽度，并通过步进电机对X方向狭缝组件与Y方向狭缝组件的狭缝宽度进行调节；

4)设置二极磁铁的磁场大小，对电子的能量进行选择，使满足能量要求的电子传输至待标定探测器上，开展标定试验。

进一步的，所述步骤4)中，对电子的能量进行选择的公式为：

其中，m₀为电子静止质量，c为光速，e为1个电子携带的电荷量，B为磁场强度，ρ为偏转半径。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1)本申请采用β放射源作为电子产生源，相比使用电子加速器作为电子源，本申请更加小巧方便、成本低廉；

2)本申请通过二极磁铁和真空弯管的相互配合，利用双聚焦二极磁铁对带电粒子的偏转功能，可以选择得到纯净的电子束，放射源中的X射线及γ射线由于不受磁场影响，不能传输至探测器；

3)本申请由于X方向狭缝组件、Y方向狭缝组件的宽度以及二极磁铁的磁场强度均可调，通过设置狭缝宽度与磁场强度，可以对电子的能量进行选择，得到各种能量的准单能电子束；

4)本申请设备简单，使用方便，便于在小型实验室使用，易于推广。

因此，本申请可以广泛应用于探测器的中低能电子束标定领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中各附图标记如下：1、β放射源；2、双聚焦二极磁铁；3、狭缝组件；31、X方向狭缝组件；32、Y方向狭缝组件；4、真空系统；41、真空弯管；42、真空靶室；5、待标定探测器。

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的一部分实施例，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的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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，该装置包括β放射源1、二极磁铁2、狭缝组件3、真空系统4和待标定探测器5。其中，真空系统4包括真空弯管41、真空靶室42以及真空泵(图中未示出)，真空泵与真空靶室42相连,用于保证真空弯管41和真空靶室42处于真空状态；β放射源1固定设置于一连杆的端面上，通过该连杆设置在真空弯管41内，连杆另一端由步进电机控制，使得β放射源1在步进电机控制下靠近或远离二极磁铁2的入射口；二极磁铁2设置在真空弯管41的弯折处，通过底座支撑和固定；狭缝组件3设置在真空弯管41出口处，位于二极磁铁2的出射口；待标定探测器5置于真空靶室内，紧靠狭缝组件3之后。

优选的，β放射源1采用实验室常用的β^-放射源，如²⁰⁷Bi放射源、⁹⁰Sr放射源等，这些放射源可以产生的电子能量通常在2MeV以内，同时伴随有X射线以及γ射线产生。

优选的，二极磁铁2采用双聚焦二极磁铁，其偏转半径和磁场范围可以根据实际需要进行配置。在本实施例中，二极磁铁的偏转半径设置为100mm，可提供的磁场范围为0-700高斯。

优选的，狭缝组件3包括相互正交的X方向狭缝组件31和Y方向狭缝组件32，X方向狭缝组件31可以位于Y方向狭缝组件32上方或下方，X方向狭缝组件31以及Y方向狭缝组件32位于待标定探测器5之前，所处位置为β放射源1所产生的电子经二极磁铁2偏转后，色散函数达到最大值之处。

优选的，X方向狭缝组件31和Y方向狭缝组件32分别与步进电机相连，由两步进电机对X方向狭缝组件31和Y方向狭缝组件32的狭缝宽度进行调节，本实施例中，X方向狭缝组件31和Y方向狭缝组件32的狭缝宽度的调节范围为0.1-40mm。

优选的，真空系统4中，为了达到较高真空度，本发明采用两个真空泵，一个为机械泵，一个为分子泵，通过相继利用真空泵和分子泵，使得真空靶室42和真空弯管41内达到预设真空度。

优选的，真空系统中，真空弯管41的弯折角度为90度，且弯折处管道宽度略大于直线段管道宽度。

基于上述用于探测器的中低能电子束标定装置，本发明还提供一种用于探测器的中低能电子束标定装置的标定方法，包括以下步骤：

1)相继利用机械泵与分子泵，使真空靶室42与真空弯管41的真空度达到1×10^-3Pa以下，以尽量减少空气分子对电子的影响；

2)调节β放射源1与待标定探测器5的位置，使产生的电子可以实现双聚焦成像，并根据实际的标定需求，选择不同的成像比例。具体地，本发明中采用的二极磁铁的半径为100mm，相应的，设置该β放射源1与二极磁铁2的入射口距离为421mm，待标定探测器5与二极磁铁2的出射口距离为112mm，此时，可以实现双聚焦成像，成像比例为1：0.4；

3)调节X方向狭缝组件31与Y方向狭缝组件32的狭缝宽度，使得选择狭缝内的电子才能通过，在本实施例中，设置两组狭缝的宽度均为±3mm，此时动量分散约1％；

4)设置二极磁铁2的磁场大小，对电子的能量进行选择，使满足能量要求的电子传输至待标定探测器5上，开展标定试验。

具体地，通过调节磁场强度，可以对电子的能量进行选择，能量选择公式为：

其中，m₀为电子静止质量，c为光速，e为1个电子携带的电荷量，B为磁场强度，ρ为偏转半径。依据公式①，当设置磁场为700Gs时，对应选择的电子动能为1.6MeV；当设置磁场为300Gs时，对应选择的电子动能为0.5MeV。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：其包括：

β放射源、二极磁铁、狭缝组件、真空系统和待标定探测器；

所述β放射源采用电子能量在2MeV以内的β^-放射源；所述二极磁铁采用双聚焦二极磁铁；

所述真空系统包括真空弯管、真空靶室以及真空泵，所述真空泵与所述真空靶室相连，用于保证所述真空弯管和真空靶室处于真空状态；

所述β放射源固定设置于一连杆的端面上，并通过所述连杆设置在所述真空弯管内，所述连杆另一端由步进电机控制，使得所述β放射源在所述步进电机控制下能够靠近或远离所述二极磁铁的入射口；

所述二极磁铁设置在所述真空弯管的弯折处，并通过底座支撑和固定；

所述狭缝组件设置在所述真空靶室内部，并位于所述二极磁铁的出射口；

所述待标定探测器置于所述真空靶室内，紧靠所述狭缝组件之后。

2.如权利要求1所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述二极磁铁的偏转半径设置为100mm，提供的磁场范围为0-700高斯。

3.如权利要求1所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述狭缝组件包括相互正交的X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件，所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件所处位置为所述β放射源所产生的电子经所述二极磁铁偏转后，色散函数达到最大值之处。

4.如权利要求3所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件均与另一步进电机相连，由另一所述步进电机对所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件的狭缝宽度进行调节。

5.如权利要求4所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述X方向狭缝组件和Y方向狭缝组件的狭缝可调节的范围为0.1-40mm。

6.如权利要求1所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述真空泵包括机械泵和分子泵，所述真空泵和分子泵通过相继工作，使得所述真空靶室和真空弯管内达到预设真空度。

7.如权利要求1所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置，其特征在于：所述真空弯管的弯折角度为90度，且弯折处管道宽度大于直线段管道宽度。

8.一种如权利要求1～7任一项所述的用于探测器的中低能电子束标定装置的标定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)启动真空泵，使得真空靶室与真空弯管的真空度达到预设要求；

2)调节β放射源与待标定探测器的位置，使产生的电子能够实现双聚焦成像，并根据实际的标定需求，选择不同的成像比例；

3)根据实际的标定需求确定狭缝宽度，并通过步进电机对X方向狭缝组件与Y方向狭缝组件的狭缝宽度进行调节；

4)设置二极磁铁的磁场大小，对电子的能量进行选择，使满足能量要求的电子传输至待标定探测器上，开展标定试验。

9.如权利要求8所述的一种用于探测器的中低能电子束标定装置的标定方法，其特征在于：所述步骤4)中，对电子的能量进行选择的公式为：

其中，m₀为电子静止质量，c为光速，e为1个电子携带的电荷量，B为磁场强度，ρ为偏转半径。

Images