CN111596342B - 一种同时测量带电粒子的能量和角度的方法及磁谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时测量带电粒子的能量和角度的方法及磁谱仪，包括在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，辐射通道内设置的次生带电粒子产生装置设置在大于多个圆弧形沟槽的入口的预设距离的位置，以避免次生带电粒子之外的其他带电粒子进入对应的圆弧形沟槽中，次生带电粒子基于自身的粒子角度和粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，并运动至带电粒子成像介质，以获取通过目标圆弧形沟槽的目标带电粒子的强度分布信息，计算机设备根据该强度分布信息计算目标带电粒子的角度和能量，完成对次生带电粒子能量和角度分布进行同时测量。

Description

一种同时测量带电粒子的能量和角度的方法及磁谱仪
技术领域
本发明涉及次生带电粒子测量领域，具体涉及一种测量带电粒子能量和角分布的磁谱仪。
背景技术
传统测量X射线等电离辐射在材料中产生的次生带电粒子能量分布的方法，是先利用直孔状限束装置(或限束结构)对带电粒子束流进行准直，再利用磁谱仪对带电粒子能量进行测量。使用传统方法一次只能测量一个方向的带电粒子强度及其能量分布，无法实现对次生带电粒子能量和角度分布进行同时测量,影响工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术无法实现对次生带电粒子能量和角度分布进行同时测量。因此，提供一种测量带电粒子能量和角分布的磁谱仪，提高磁谱仪的工作效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种同时测量带电粒子能量和角度的方法，包括：
在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，所述圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者所述圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内；
所述磁谱仪上还设置有辐射通道，所述辐射通道内设置有次生带电粒子产生装置，所述次生带电粒子产生装置与所述多个圆弧形沟槽的入口之间的距离大于预设距离；
所述次生带电粒子产生装置，在辐射源通过辐射通道电离辐射下，生成次生带电粒子；
所述次生带电粒子具有对应的粒子角度和粒子速度，所述次生带电粒子在永磁体作用下，通过所述多个圆弧形沟槽的入口进入所述多个圆弧形沟槽，并基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，运动至所述圆弧形沟槽的出口处设置的带电粒子成像介质上，将通过所述目标圆弧形沟槽的次生带电粒子作为目标带电粒子；
所述带电粒子成像介质记录所述目标带电粒子的强度分布信息，并将所述强度分布信息发送给对应的计算机设备；
所述计算机设备基于强度分布信息计算公式对所述强度分布信息进行计算，获取所述目标带电粒子的角度和能量。
进一步地，多个所述圆弧形沟槽中还设置有狭缝；
所述次生带电粒子在永磁体作用下，基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，并运动至所述带电粒子成像介质，包括：
所述次生带电粒子在永磁体作用下，基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽中的狭缝通过，并运动至所述带电粒子成像介质。
进一步地，所述狭缝包括多个水平狭缝和一个垂直于水平面的垂直狭缝；所述水平狭缝设置在水平狭缝部件上，所述垂直狭缝设置在垂直狭缝部件上。
进一步地，所述辐射源设置在所述辐射通道所在中轴线上，所述永磁体设置在永磁体通道中。
进一步地，强度分布信息计算公式具体为
Figure BDA0002515654500000021
其中,ρ(h,i)为强度分布信息，h为圆弧形沟槽的深度，i为圆弧形沟槽的编号，a为垂直狭缝的大小,b为平行狭缝的大小，ri为圆弧形沟槽的半径，θ为次生带电粒子的粒子角度，I(v⊥,θ)为次生带电粒子的能量和角度分布函数，v⊥为次生带电粒子的粒子速度垂直于沟槽出口所在平面的分量，m为次生带电粒子的质量，q为次生带电粒子的电荷量，B为永磁体产生的磁场的大小。
一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，包括支撑连接组件、导磁板和金属块；
所述支撑连接组件(8)的前表面和后表面均设置有导磁板(9)；
所述支撑连接组件(8)中设置有永磁体通道(10)；所述永磁体通道(10)的一端设置于所述支撑连接组件(8)的前表面，另一端设置于所述支撑连接组件(8)的后表面；所述永磁体通道(10)内设置有永磁体；
所述支撑连接组件(8)内部设置有容纳小腔(16)，且所述支撑连接组件(8)内还设置有辐射通道(15)，所述辐射通道(15)内设置次生带电粒子产生装置(14)；所述辐射通道(15)穿过所述容纳小腔(16)；所述容纳小腔(16)内设置有金属块(17)；
所述金属块(17)内设置有圆弧形沟槽组件(11)，所述圆弧形沟槽组件(11)包括多个圆弧形沟槽(18)，所述圆弧形沟槽(18)的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者所述圆弧形沟槽(18)的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，每一所述圆弧形沟槽(18)上设置有水平直沟槽(20)和垂直于水平直沟槽(20)的垂直直沟槽(19)，所述水平直沟槽(20)内插入有水平狭缝部件(23)，所述垂直直沟槽(19)内插入有垂直狭缝部件(21)；所述水平狭缝部件(23)的水平狭缝(24)和所述垂直狭缝部件(21)的垂直狭缝(22)限制电子运动轨迹；
所述圆弧形沟槽组件(11)设置有圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)和圆弧形沟槽组件(11)的出口(12)，所述圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)与所述次生带电粒子产生装置(14)之间的距离大于预设距离；圆弧形沟槽组件(11)的出口(12)设置有带电粒子成像介质；
位于辐射通道所在中轴线上的辐射源，通过辐射通道(15)对设置在所述辐射通道(15)内的次生带电粒子产生装置(14)进行电离辐射，产生次生带电粒子，次生带电粒子通过所述圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)进入所述圆弧形沟槽组件(11)内。
进一步地，所述容纳小腔为立方体，所述永磁体通道和所述辐射通道为圆柱形。
进一步地，所述导磁板组件的材料为低碳钢。
进一步地，所述水平狭缝部件和所述垂直狭缝部件为金属片。
本发明提供的同时测量带电粒子能量和角度的方法及磁谱仪，通过在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，并在磁谱仪上设置的辐射通道内设置次生带电粒子产生装置，将多个圆弧形沟槽的入口设置在大于次生带电粒子产生装置的预设距离的位置，以避免次生带电粒子产生装置在电离辐射下产生的除次生带电粒子之外的其他带电粒子进入对应的圆弧形沟槽中。次生带电粒子基于自身的粒子角度和粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，并运动至带电粒子成像介质，带电粒子成像介质记录通过目标圆弧形沟槽的目标带电粒子的强度分布信息，并发送给对应的计算机设备，以使计算机设备基于强度分布信息计算目标带电粒子的角度和能量，以完成对次生带电粒子能量和角度分布进行同时测量，提高磁谱仪的测量效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种同时测量带电粒子能量和角度的方法的流程图。
图2为本发明一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪的结构示意图。
图3为金属块的一具体示意图。
图4为水平狭缝部件和垂直狭缝部件示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
8-支撑连接组件，9-导磁板，10-永磁体通道,11-圆弧形沟槽组件,12-圆弧形沟槽组件的出口，13-圆弧形沟槽组件的入口，14-次生带电粒子产生装置，15-辐射通道，16-容纳小腔，17-金属块，18-圆弧形沟槽，19-垂直直沟槽，20-水平直沟槽，21-垂直狭缝部件，22-垂直狭缝，23-水平狭缝部件，24-水平狭缝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种同时测量带电粒子能量和角度的方法，包括如下步骤：
S10：在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内。
S20：磁谱仪上还设置有辐射通道，辐射通道内设置有次生带电粒子产生装置，次生带电粒子产生装置与多个圆弧形沟槽的入口之间的距离大于预设距离。
其中，次生带电粒子产生装置指在辐射源的照射下生成次生带电粒子的装置。次生带电粒子指通过康普顿效应产生的带电粒子。
预设距离指预先设置好的用于基于次生带电粒子产生装置确定多个圆弧形沟槽的入口位置的值。
具体地，将多个圆弧形沟槽的入口设置在大于次生带电粒子产生装置的预设距离的位置，以避免次生带电粒子产生装置在电离辐射下产生的次生带电粒子之外的其他带电粒子进入对应的圆弧形沟槽中，仅使次生带电粒子进入对应的圆弧形沟槽中。
S30：次生带电粒子产生装置，在辐射源通过辐射通道电离辐射下，生成次生带电粒子。
S40：次生带电粒子具有对应的粒子角度和粒子速度，次生带电粒子在永磁体作用下，通过多个圆弧形沟槽的入口进入多个圆弧形沟槽，并基于粒子角度和粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，运动至圆弧形沟槽的出口处设置的带电粒子成像介质上，将通过目标圆弧形沟槽的次生带电粒子作为目标带电粒子。
其中，带电粒子成像介质指能够把不同空间位置的次生带电粒子的强度分布信息转化为光、电、数值信号的介质，包括但不限于成像板、胶片和Si-PIN阵列。
具体地，目标圆弧形沟槽指与次生带电粒子的粒子角度和粒子速度对应的一个圆弧形沟槽。其中，粒子角度指在辐射源的照射下，产生的次生带电粒子的运动角度。粒子速度指在辐射源的照射下，产生的次生带电粒子的运动速度。可以理解地，一个圆弧形沟槽仅能通过特定角度范围和特定速度范围的次生带电粒子。
S50：带电粒子成像介质记录目标带电粒子的强度分布信息，并将强度分布信息发送给对应的计算机设备。
具体地，目标带电粒子运动至带电粒子成像介质上，带电粒子成像介质记录目标带电粒子的强度分布信息，并将该强度分布信息发送给对应的计算机设备。
S60：计算机设备基于强度分布信息计算公式对强度分布信息进行计算，获取目标带电粒子的角度和能量。
进一步地，强度分布信息计算公式具体为
Figure BDA0002515654500000071
其中,ρ(h,i)为强度分布信息，h为圆弧形沟槽的深度，i为圆弧形沟槽的编号，a为垂直狭缝的大小,b为平行狭缝的大小，ri为圆弧形沟槽的半径，θ为次生带电粒子的粒子角度，I(v⊥,θ)为次生带电粒子的能量和角度分布函数，v⊥为次生带电粒子的粒子速度垂直于沟槽出口所在平面的分量，m为次生带电粒子的质量，q为次生带电粒子的电荷量，B为永磁体产生的磁场的大小。
进一步地，为了提高带电粒子成像介质记录目标带电粒子的角度的准确性，本实施例的多个圆弧形沟槽中还设置有狭缝。
步骤S30中，次生带电粒子在永磁体作用下，基于粒子角度和粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，并运动至带电粒子成像介质，包括：
次生带电粒子在永磁体作用下，基于粒子角度和粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽中的狭缝通过，并运动至带电粒子成像介质。
具体地，通过设置狭缝，可以对特定角度范围和特定速度范围进行进一步限制，以使特定角度范围和特定速度范围更小，提高带电粒子成像介质记录的通过狭缝的目标次生带电粒子的角度和速度的准确性。
进一步地，狭缝包括多个水平狭缝和一个垂直于水平面的垂直狭缝；水平狭缝设置在水平狭缝部件上，垂直狭缝设置在垂直狭缝部件上。
具体地，通过设置多个水平狭缝，以使次生带电粒子在磁场中作螺旋运动时运动的半径范围限制得更小，通过设置一个垂直狭缝，以使次生带电粒子沿垂直狭缝的深度方向运动时运动的距离范围限制得更小，以提高后续带电粒子成像介质记录的目标次生带电粒子的角度和速度的准确性。
进一步地，辐射源设置在辐射通道所在中轴线上，永磁体设置在永磁体通道中。
本发明提供的同时测量带电粒子能量和角度的方法及磁谱仪，通过在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，并在多个圆弧形沟槽中还设置有多个水平狭缝和一个垂直狭缝，以缩小可以通过运动至带电粒子成像介质的目标次生带电粒子的粒子角度和粒子速度的范围，提高带电粒子成像介质记录的目标带电粒子的角度和速度的准确性，并实现对次生带电粒子的能量和角度进行同时测量，以提高磁谱仪的测量效率。
实施例2
如图2-4所示，本实施例与实施例1的区别在于，一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，包括支撑连接组件8、导磁板9和金属块17。
支撑连接组件8的前表面和后表面均设置有导磁板9。
支撑连接组件8中设置有两个永磁体通道10；永磁体通道10的一端设置于支撑连接组件的前表面，另一端设置于支撑连接组件的后表面；永磁体通道10内设置有永磁体。
支撑连接组件8内部设置有容纳小腔16，且支撑连接组件内还设置有辐射通道15，辐射通道15内设置次生带电粒子产生装置14；辐射通道15穿过容纳小腔16；容纳小腔16内设置有金属块17。
金属块17内设置内设置有圆弧形沟槽组件11，圆弧形沟槽组件11包括多个圆弧形沟槽18，圆弧形沟槽18的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者圆弧形沟槽18的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，每一圆弧形沟槽18上设置有水平直沟槽20和垂直于水平直沟槽20的垂直直沟槽19，水平直沟槽20内插入有水平狭缝部件23，垂直直沟槽19内插入有垂直狭缝部件21；水平狭缝部件23的水平狭缝24和垂直狭缝部件21的垂直狭缝22限制电子运动轨迹。
圆弧形沟槽组件11设置有圆弧形沟槽组件11的入口13和圆弧形沟槽组件11的出口12，圆弧形沟槽组件11的入口13与次生带电粒子产生装置14之间的距离大于预设距离；圆弧形沟槽组件11的出口12设置有带电粒子成像介质。
位于辐射通道所在中轴线上的辐射源，通过辐射通道15对设置在辐射通道15内的次生带电粒子产生装置14进行电离辐射，产生次生带电粒子，次生带电粒子通过圆弧形沟槽组件11的入口13进入圆弧形沟槽组件11内。
进一步地，容纳小腔16为立方体，永磁体通道10和辐射通道15为圆柱形。
进一步地，导磁板组件9的材料为低碳钢。
进一步地，水平狭缝部件23和垂直狭缝部件21为金属片。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同时测量带电粒子能量和角度的方法，其特征在于，包括：
在磁谱仪上设置多个圆弧形沟槽，所述圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者所述圆弧形沟槽的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内；
所述磁谱仪上还设置有辐射通道，所述辐射通道内设置有次生带电粒子产生装置，所述次生带电粒子产生装置与所述多个圆弧形沟槽的入口之间的距离大于预设距离；
所述次生带电粒子产生装置，在辐射源通过辐射通道电离辐射下，生成次生带电粒子；
所述次生带电粒子具有对应的粒子角度和粒子速度，所述次生带电粒子在永磁体作用下，通过所述多个圆弧形沟槽的入口进入所述多个圆弧形沟槽，并基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，运动至所述圆弧形沟槽的出口处设置的带电粒子成像介质上，将通过所述目标圆弧形沟槽的次生带电粒子作为目标带电粒子；
所述带电粒子成像介质记录所述目标带电粒子的强度分布信息，并将所述强度分布信息发送给对应的计算机设备；
所述计算机设备基于强度分布信息计算公式对所述强度分布信息进行计算，获取所述目标带电粒子的角度和能量；
其中，多个所述圆弧形沟槽中还设置有狭缝；
所述次生带电粒子在永磁体作用下，基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽通过，并运动至所述带电粒子成像介质，包括：
所述次生带电粒子在永磁体作用下，基于所述粒子角度和所述粒子速度选择对应目标圆弧形沟槽中的狭缝通过，并运动至所述带电粒子成像介质；
所述狭缝包括多个水平狭缝和一个垂直于水平面的垂直狭缝；所述水平狭缝设置在水平狭缝部件上，所述垂直狭缝设置在垂直狭缝部件上；
强度分布信息计算公式具体为
Figure FDA0003509989520000021
其中,ρ(h,i)为强度分布信息，h为圆弧形沟槽的深度，i为圆弧形沟槽的编号，a为垂直狭缝的大小,b为平行狭缝的大小，ri为圆弧形沟槽的半径，θ为次生带电粒子的粒子角度，I(v⊥,θ)为次生带电粒子的能量和角度分布函数，v⊥为次生带电粒子的粒子速度垂直于沟槽出口所在平面的分量，m为次生带电粒子的质量，q为次生带电粒子的电荷量，B为永磁体产生的磁场的大小。
2.根据权利要求1所述的一种同时测量带电粒子能量和角度的方法，其特征在于，所述辐射源设置在所述辐射通道所在中轴线上，所述永磁体设置在永磁体通道中。
3.一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，其特征在于，包括支撑连接组件(8)、导磁板(9)和金属块(17)；
所述支撑连接组件(8)的前表面和后表面均设置有导磁板(9)；
所述支撑连接组件(8)中设置有永磁体通道(10)；所述永磁体通道(10)的一端设置于所述支撑连接组件(8)的前表面，另一端设置于所述支撑连接组件(8)的后表面；所述永磁体通道(10)内设置有永磁体；
所述支撑连接组件(8)内部设置有容纳小腔(16)，且所述支撑连接组件(8)内还设置有辐射通道(15)，所述辐射通道(15)内设置次生带电粒子产生装置；所述辐射通道(15)穿过所述容纳小腔(16)；所述容纳小腔(16)内设置有金属块(17)；
所述金属块(17)内设置有圆弧形沟槽组件(11)，所述圆弧形沟槽组件(11)包括多个圆弧形沟槽(18)，所述圆弧形沟槽(18)的中轴线相互平行且设置在同一平面内，或者所述圆弧形沟槽(18)的中轴线相互平行且设置在一个曲率大于相邻中轴线间距的光滑曲面内，每一所述圆弧形沟槽(18)上设置有水平直沟槽(20)和垂直于水平直沟槽(20)的垂直直沟槽(19)，所述水平直沟槽(20)内插入有水平狭缝部件(23)，所述垂直直沟槽(19)内插入有垂直狭缝部件(21)；所述水平狭缝部件(23)的水平狭缝(24)和所述垂直狭缝部件(21)的垂直狭缝(22)限制电子运动轨迹；
所述圆弧形沟槽组件(11)设置有圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)和圆弧形沟槽组件(11)的出口(12)，所述圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)与所述次生带电粒子产生装置之间的距离大于预设距离；圆弧形沟槽组件(11)的出口(12)设置有带电粒子成像介质；
位于辐射通道所在中轴线上的辐射源，通过辐射通道(15)对设置在所述辐射通道(15)内的次生带电粒子产生装置(14)进行电离辐射，产生次生带电粒子，次生带电粒子通过所述圆弧形沟槽组件(11)的入口(13)进入所述圆弧形沟槽组件(11)内。
4.根据权利要求3所述的一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，其特征在于，所述容纳小腔(16)为立方体，所述永磁体通道(10)和所述辐射通道(15)为圆柱形。
5.根据权利要求3所述的一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，其特征在于，所述导磁板(9)的材料为低碳钢。
6.根据权利要求3所述的一种同时测量带电粒子能量和角度的磁谱仪，其特征在于，所述水平狭缝部件(23)和所述垂直狭缝部件(21)为金属片。
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