CN219589816U - 高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，适用于强磁场环境下运行；其包括套筒、端部支架、收光支架、样品支架和滑动杆，端部支架具有环状结构、且设有用于离子束流通过的开口；收光支架包括支架主体和耦合头固定筒；支架主体设有第一通孔和环绕于第一通孔设置的安装孔，耦合头固定筒安装于安装孔中；耦合头固定筒设有用于安装光纤耦合头的斜行孔；样品支架设有用于放置样品的安装位；滑动杆将端部支架、收光支架和样品支架连接在一起。该辐射光收集装置，一方面增加了靶区发射光的收集效率，提高了信噪比；另一方面，多束光路间可实现信号的互检与校正。该辐射光收集装置结构简单、采用标准模组化设计，便于推广应用。

Description

高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置

技术领域

本实用新型涉及高能离子束轰击靶材料后收集辐射光的技术领域，尤其是涉及在强磁场环境下，高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置。

背景技术

强磁场下的高能离子束与物质相互作用过程，不仅是磁惯约中的重要研究内容，也是研究强流重离子束驱动的惯性约束聚变科学的重要物理基础。

在强磁场环境下，既有的原子物理模型、材料性质、离子与物质作用过程等均将发生明显的变化。例如，在高能离子束轰击靶作用时，在靶物质内部造成的缺陷与激发，在强磁场的作用下，具有新的定向性运动趋势，造成靶原子能级特征以及材料结构的细微变化，从而产生新的物理现象，并影响到离子在物质中的能量沉积与输运等过程。

受到高能离子束轰击靶的作用，靶物质受到激发退激后将辐射出其特征光谱。现有的研究中，采用高精度的光学诊断技术能够实现对离子与物质相互作用过程的准确描述与细节还原，并在相关领域得到了广泛的应用，而且取得了重要的成果。但是，由于强磁场环境与高功率离子束靶作用过程的特殊性，采用高精度的光学诊断技术用于探究该轰击过程的工作，目前还未有报道。

现有技术公开了一种用于辐照靶材料的系统，其用于在输送系统中在靶辐照站与收集站、比如热室之间转移靶材料的囊体，包括束线通道、用于使辐照所述靶材料的能量束通过，靶保持器、用于保持所述靶材料或背衬所述靶材料的基材，壳体用于包封所述靶保持器。该系统只是公开了离子束辐照靶材料的系统，并未公开关于辐照后对辐照光的收集系统，而且也并未考虑强磁场环境下对光收集装置的稳定性。

如何保证强磁场下的光学系统稳定性，以及保证在高功率束靶作用中强辐射背景下的收光系统的高效性与耐辐照性，是开发收光系统需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种在强磁场环境下高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，通过多路的收光支架，一方面增加了靶区发射光的收集效率，提高了信噪比；另一方面，多束光路间可实现信号的互检与校正。该辐射光收集装置结构简单、采用标准模组化设计，便于推广应用。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，包括套筒、端部支架、收光支架、样品支架和滑动杆，

所述端部支架、收光支架和样品支架安装于所述套筒内部，并随套筒放置于强磁场下；

所述端部支架具有环状结构、且设置于所述收光支架两侧，所述端部支架设有用于离子束流通过的开口；

所述收光支架设置于所述样品支架两侧，所述收光支架包括支架主体和耦合头固定筒；所述支架主体设有第一通孔和环绕于所述第一通孔设置的安装孔，所述耦合头固定筒安装于所述安装孔中；所述耦合头固定筒设有用于安装光纤耦合头的斜行孔；

所述样品支架，设置于所述辐射光收集装置的中心位置，所述样品支架设有用于放置样品的安装位；

所述滑动杆将所述端部支架、收光支架和样品支架连接在一起。

在该辐射光收集装置中，在套筒内部，样品支架设置在中心位置，收光支架和端部支架分别对称分布在两侧，这种对称性结构，可以实现靶前和靶后区域的光收集工作，且可实现同步测量。收光支架具备多线路同步收光能力，采用光纤传输，保证光输送的高效率。本实用新型提供的辐射光收集装置，可在高达10T的强磁场环境下，能量为GeV重离子束打靶作用中快速完成定位、换靶，从而满足靶区发射光高效率的收集需求。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，在所述耦合头固定筒中，所述斜行孔与所述辐射光收集装置的中轴线呈45°和(或)60°；斜行孔采用轴向45°和60°的开孔方式，实现对心设置。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述斜行孔设置有内螺纹，所述光纤耦合头设置有外螺纹，所述光纤耦合头的外螺纹与所述斜行孔的内螺纹相互配合，使所述光纤耦合头螺接于所述耦合头固定筒中，实现精密组装。

与光纤耦合头组装后的耦合头固定筒可旋转，实现在靶区不同位置的光收集和测量。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述耦合头固定筒开设有间隙，所述间隙用于安装滤光架。在实验中，滤光架可快速安装于耦合头固定筒前端的间隙中。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述样品支架在所述安装位的侧壁设置有丝孔，通过所述丝孔对样品进行固定。此外，丝孔还用于安装光纤干涉仪。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述样品支架还设置有凸块，所述凸块呈辐射状设置于所述安装位的外周。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述端部支架设有第二通孔，所述滑动杆的末端为螺纹通丝，所述滑动杆穿过所述第二通孔后，铜螺母与所述滑动杆的末端螺接固定。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述套筒的内侧壁为光滑面，便于内部的端部支架、收光支架和样品支架的顺滑性拉入与拉出。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述套筒、所述收光支架中的支架主体和耦合头固定筒，以及所述样品支架均为高纯铝材料制成；所述端部支架为聚四氟乙烯材料制成，所述滑动杆为高纯铜材料制成。

整个辐射光收集装置的部件采用无磁材料加工完成，在强磁场下具备良好的稳定性。

作为本实用新型技术方案的进一步描述，所述高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，应用于强磁场环境下对辐射光进行收集；当然，该辐射光收集装置不仅仅局限于强磁场环境下得应用研究，在其他强度的磁场环境下也可以用于收集辐射光。

基于上述的技术方案，与现有技术中的光学诊断方法相比，本实用新型取得的技术效果为：

(1)本实用新型提供的辐射光收集装置，可高效率收集在强磁场环境下高能重离子束与固体靶相互作用产生的辐射光。该辐射光收集装置采用对称性结构，可实现靶前和靶后不同区域的光收集，以及靶前和靶后区域的同步测量；另外，辐射光收集装置通过多路的光收集架构，一方面增加了靶区发射光的收集效率，提高了信噪比；另一方面，多束线路间可实现信号的互检与校准，而且采用光纤传输，提升了光输送的效率。

(2)本实用新型提供的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，整体采用无磁材料加工完成，在高达10T的强磁场环境下、能量为GeV重离子束打靶作用中可快速完成定位、换靶，具有良好的稳定性。

(3)本实用新型的辐射光收集装置结构简单、采用标准模组化设计，各部件结构之间可按需求进行加装调整，便于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的辐射光收集装置的剖视图。

图2为本实用新型的套筒的结构示意图。

图3为本实用新型的辐射光收集装置的内部构件的分解图。

图4为本实用新型的辐射光收集装置的内部构件的组装图。

图5为本实用新型的端部支架的结构示意图。

图6为本实用新型的支架主体的结构示意图。

图7为本实用新型的耦合头固定筒的结构示意图。

图8为本实用新型的耦合头固定筒安装滤光片的结构示意图。

图9为本实用新型的样品支架的结构示意图。

图10为本实用新型的辐射光收集装置收集的光信号分析谱图。

附图标记：

100辐射光收集装置；

1套筒，11内侧壁，12套筒螺孔；

2端部支架，21开口，22第二通孔；

3收光支架，31支架主体，311第一通孔，312安装孔，32耦合头固定筒，

321斜行孔，322间隙；

4样品支架，41安装位，42丝孔，43凸块；

5滑动杆，51末端。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将结合附图和具体的实施例对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。

实施例1

图1为本实施例的辐射光收集装置的剖视图，图2为本实施例的套筒的结构示意图，图3为本实施例的辐射光收集装置的内部构件的分解图，结合参考图1-图3，一种辐射光收集装置100，用于高能重离子束与固体靶作用所产生的辐射光收集和测量，并通过光纤传输到探测仪器上，记录对应的光谱信息以及光强随时间的变化等信息，从而得出在束靶作用(高能重离子束与固定靶作用)过程中靶电子激发和演化的物理过程。

本实施例的辐射光收集装置100为无磁性的柱状结构，其包括套筒1、端部支架2、收光支架3、样品支架4和滑动杆5。其中，套筒1为一铝制圆筒，端部支架2、收光支架3和样品支架4安装于套筒1的内部。此外，套筒1的内侧壁11为光滑面，即内侧壁11经过了光滑处理，使得安装于套筒1内部的端部支架2、收光支架3和样品支架4可以顺滑拉入与拉出。套筒1在两端分别开设有四个M6尺寸的套筒螺孔12，在安装6mm的铜顶丝可以将其固定在超导螺线管中，并通过调整顶丝的长短实现套筒的对心位置。

图4为本实施例的辐射光收集装置的内部构件的组装图，在图1和图3的基础上参考图4，端部支架2、收光支架3和样品支架4为辐射光收集装置100的内部构件，该内部构件呈对称性结构。其中样品支架4位于中心位置，两个收光支架3位于样品支架4的两侧，而两个端部支架2又设置在收光支架3的外侧，端部支架2、收光支架3和样品支架4通过滑动杆5连接在一起。

图5为本实施例的端部支架的结构示意图，如图5所示，端部支架2具有环状结构，其采用聚四氟乙烯材料制成。作为一个圆环部件，端部支架2的外径与套筒1的内径相当，端部支架2的中间开设有一环形的开口21，用于离子束流的顺利通过。在端部支架2的端面上设有第二通孔22；滑动杆5的末端51设置有螺纹，因此，滑动杆5的末端51穿过端部支架2的第二通孔22中并通过铜螺母(图中未标出)与其固定连接。

图6为本实施例的支架主体的结构示意图，图7为本实施例的耦合头固定筒的结构示意图，在图3和图4的基础上参考图6和图7，收光支架3是辐射光收集装置的核心组成部分，其设置于样品支架4的两侧，用于靶前和靶后的收光。收光支架3包括支架主体31和耦合头固定筒32，耦合头固定筒32按照特定的对心方向，安装于支架主体31中。本实施例收光支架3中的支架主体31和耦合头固定筒32采用高纯铝材料制成。

支架主体31开设有第一通孔311和安装孔312，其中，安装孔312围绕于第一通孔311设置，耦合头固定筒32则安装于安装孔312中。

需要说明的是，本实施例的耦合头固定筒32为八个。在每一个支架主体31中均开设有4个安装孔312，八个耦合头固定筒32分别安装在两个支架主体31的安装孔312中。在耦合头固定筒32中，设有用于安装光纤耦合头(图中未标出)的斜行孔321。斜行孔321采用与辐射光收集装置100的中轴线呈45°和60°的开孔方式，实现对心设置。在一些实施例中，斜行孔321可全部采用呈45°的开孔方式，或者全部60°的开孔方式。

此外，斜行孔321设置有内螺纹，光纤耦合头设置有外螺纹，光纤耦合头的外螺纹与斜行孔的内螺纹相互配合，使光纤耦合头螺接于耦合头固定筒中，实现精密组装。与光纤耦合头组装后的耦合头固定筒可旋转，实现在靶区不同位置的光收集和测量。耦合头固定筒32开设有间隙322，该间隙322呈弧形，用于安装滤光片。图8为安装滤光片的耦合头固定筒的结构示意图，如图8所示，滤光片6安装于间隙322中。

图9为本实施例的样品支架的结构示意图，如图4和图9所示，样品支架4设置于辐射光收集装置100的中心位置，在样品支架4设有安装位41，用于放置样品。在安装位41的侧壁设置有丝孔42，通过丝孔42可对样品进行固定。样品支架4还设置有凸块43，凸块43具有扇形结构，并呈辐射状设置于安装位41的外周。本实施例的样品支架4也采用高纯铝材料制成。

滑动杆5采用高纯铜材料制成，滑动杆5将端部支架2、收光支架3和样品支架4连接在一起。可以理解的是，在收光支架3和样品支架4对应设置有支架丝孔，用于滑动杆5穿过，滑动杆5的两端螺接于端部支架2中。

本实施例提供的辐射光收集装置采用对称性结构，可实现靶前和靶后不同区域的光收集，以及靶前和靶后区域的同步测量；另外，辐射光收集装置通过多路的光收集架构，一方面增加了靶区发射光的收集效率，提高了信噪比；另一方面，多束线路间可实现信号的互检与校准，而且采用光纤传输，提升了光输送的效率。

实施例2

本实施例对实施例1的辐射光收集装置的具体尺寸进行说明。

在辐射光收集装置中，套筒1由高纯铝材料制成，外径为110mm，内径为100mm，厚度2.5mm，长1000mm，套筒螺孔12开设于距离端部20mm处，并分别开设有四个。套筒螺孔12的开孔规格为M6，在安装6mm的铜顶丝可以将其固定在超导螺线管中，并通过调整顶丝的长短实现套筒的对心位置。

端部支架2采用聚四氟乙烯材料制成，外径为100mm，内径为60mm，厚度为20mm。第二通孔22的开孔规格为φ6，滑动杆5的末端51穿过端部支架2的第二通孔22中并通过铜螺母与其固定连接。

在收光支架3中，支架主体31为采用高纯铝制成的环状结构，其外径为90mm，内径为25mm，厚度为15mm。支架主体31的安装孔312，直径为25mm，耦合头固定筒32则安装于这些安装孔312中。

耦合头固定筒32也采用高纯铝制成，其直径为24.9mm，厚度为15mm。在耦合头固定筒32设置的斜行孔321，其分别与中轴呈45°和60°。斜行孔321的直径为11mm，其置有内螺纹，光纤耦合头设置有外螺纹，光纤耦合头的外螺纹与斜行孔的内螺纹相互配合连接。

样品支架4有高纯铝制成的类四叶草结构，其外径为90mm，内径为20mm，每个凸块43的扇形叶片呈40°角。在安装位41设置的丝孔42，直径分别为6mm和11mm，用来安装固定样品架的顶丝和光纤干涉仪。

本实施例的辐射光收集装置，按照以下步骤进行装配：

进行化学清洗，去除部件表面的油污和杂质。

将样品支架通过滑动杆固定在正中央。安装收光支架，并将耦合头固定筒旋转，使得每一束光都能落在靶前后的中心位置处，将其固定后，在每个耦合头固定筒前端位置放置相应的滤光片。安装端部支架，使整体系统稳定。

最后放进套筒中固定位置处放进超导螺线管内部。

实施例3

在装配好辐射光收集装置后，本实施例按照以下步骤开展辐射光收集和测试工作：

使用Throlabs公司制备的型号为F230FC-A光纤准直器，焦距4.34mm，采用FC/PC光纤接头，响应波长300-800nm。使用的光纤为FC/SMA多模跳线。

光信号获取装置有条纹相机，Andor光谱仪，ARYELLE 200光谱仪，PMT。

后期数据获取采用多台搭载Windows10 64位操作系统，Inter i5 8核处理器的Lenovo计算机。

在兰州重离子加速器装置(HIRFL)上利用输出的GeV重离子束开展在线的整体设备测试工作，加速器产生的离子种类为⁸⁴Kr²⁶⁺离子，能量430MeV/u，束流强度大于10⁸/ppp，辐射光收集装置，位于终端10T超导螺线管内部。

在实验测试，直接利用本实施例的辐射光收集装置收集可见光信号后，进行计算机分析得到结果。分析结果如图10所示，其中，上图为PMT收集的分析结果，下图为光谱仪收集的分析结果。

需要说明的是，本实施例的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，适用所有离子束或激光驱动过程中的辐射光收集，而且不仅仅局限于强磁场环境下，在其他磁场环境下也适用。

以上内容仅仅为本实用新型的结构所作的举例和说明，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，包括套筒(1)、端部支架(2)、收光支架(3)、样品支架(4)和滑动杆(5)，

所述端部支架(2)、收光支架(3)和样品支架(4)安装于所述套筒(1)内部；

所述端部支架(2)具有环状结构、且设置于所述收光支架(3)两侧，所述端部支架(2)设有用于离子束流通过的开口(21)；

所述收光支架(3)设置于所述样品支架(4)两侧，所述收光支架(3)包括支架主体(31)和耦合头固定筒(32)；所述支架主体(31)设有第一通孔(311)和环绕于所述第一通孔(311)设置的安装孔(312)，所述耦合头固定筒(32)安装于所述安装孔(312)中；所述耦合头固定筒(32)设有用于安装光纤耦合头的斜行孔(321)；

所述样品支架(4)，设置于所述辐射光收集装置的中心位置，所述样品支架(4)设有用于放置样品的安装位(41)；

所述滑动杆(5)将所述端部支架(2)、收光支架(3)和样品支架(4)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，在所述耦合头固定筒中，所述斜行孔(321)与所述辐射光收集装置的中轴线呈45°和60°。

3.根据权利要求2所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述斜行孔(321)设置有内螺纹，所述光纤耦合头设置有外螺纹，所述光纤耦合头的外螺纹与所述斜行孔(321)的内螺纹相互配合，使所述光纤耦合头螺接于所述耦合头固定筒中。

4.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述耦合头固定筒(32)开设有间隙(322)，所述间隙(322)用于安装滤光架。

5.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述样品支架(4)在所述安装位(41)的侧壁设置有丝孔(42)，通过所述丝孔(42)对样品进行固定。

6.根据权利要求5所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述样品支架(4)还设置有凸块(43)，所述凸块(43)呈辐射状设置于所述安装位(41)的外周。

7.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述端部支架(2)设有第二通孔(22)，所述滑动杆(5)的末端(51)为螺纹通丝，所述滑动杆(5)穿过所述第二通孔(22)后，铜螺母与所述滑动杆(5)的末端(51)螺接固定。

8.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述套筒(1)的内侧壁(12)为光滑面。

9.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述套筒(1)、所述收光支架(3)中的支架主体(31)和耦合头固定筒(32)，以及所述样品支架(4)均为高纯铝材料制成；

所述端部支架(2)为聚四氟乙烯材料制成，所述滑动杆(5)为高纯铜材料制成。

10.根据权利要求1所述的高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，其特征在于，所述高能重离子束与靶作用的辐射光收集装置，应用于强磁场环境下对辐射光进行收集。