阅读说明：本技术 一种宽能谱范围的带电粒子谱仪 (Charged particle spectrometer with wide energy spectrum range ) 是由 滕建 邓志刚 贺书凯 张智猛 张博 洪伟 崔波 田超 单连强 周维民 谷渝秋 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种宽能谱范围的带电粒子谱仪。所述带电粒子谱仪包括：准直器、磁场发生装置、电子探测器组件、绝缘盘、电场发生装置、离子探测器组件和瞄准激光组件。本发明中,通过激光加速产生的带电粒子穿过准直器,注入到磁场发生装置,然后电子偏转到磁场发生装置侧面的电子探测器上被记录；穿出磁场发生装置的离子注入到电场发生装置中,然后偏转到离子探测器上被记录。本发明电子只受到磁场作用,而离子在穿过磁场后再通过电场发生装置,从而将不同种类的离子分辨开来。此外本发明磁场发生装置的磁场分布具有一个上升沿,从而可以在满足高能端诊断需求的情况下,降低电子能量诊断阀值,可以实现相同空间立体角电子和离子的宽能谱范围诊断。(The invention discloses a charged particle spectrometer with a wide energy spectrum range. The charged particle spectrometer comprises: the device comprises a collimator, a magnetic field generating device, an electronic detector assembly, an insulating disc, an electric field generating device, an ion detector assembly and a sighting laser assembly. In the invention, charged particles generated by laser acceleration pass through a collimator and are injected into a magnetic field generating device, and then electrons are deflected to an electronic detector on the side surface of the magnetic field generating device to be recorded; the ions which pass out of the magnetic field generating device are injected into the electric field generating device and then deflected to the ion detector to be recorded. The electrons of the invention are only acted by the magnetic field, and the ions pass through the magnetic field and then pass through the electric field generating device, thereby distinguishing the ions of different types. In addition, the magnetic field distribution of the magnetic field generating device has a rising edge, so that the electronic energy diagnosis threshold value can be reduced under the condition of meeting the high-energy end diagnosis requirement, and the wide energy spectrum range diagnosis of electrons and ions in the same spatial solid angle can be realized.)

一种宽能谱范围的带电粒子谱仪

技术领域

本发明涉及等离子体物理和核探测领域，特别是涉及一种宽能谱范围的带电粒子谱仪。

背景技术

目前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带电粒子种类和能谱是关系实验物理过程的一个关键参数。在实验中，通常使用电子谱仪来诊断电子，使用汤姆逊谱仪来诊断离子。但是在物理研究中，离子加速是与电子相关的，因此如果能同时诊断相同空间立体角的电子和离子，将对粒子的研究更有帮助。由于电子和离子质量差别很大(电子质量是质子质量的1/1836)，因此要实现宽能谱范围(1-100MeV)相同能量段的电子和离子能谱诊断就比较困难。

一方面要实现高能电子及离子足够大的偏转需要足够强的磁场，常规的汤姆逊谱仪和电子谱仪通常采用的二极磁场为均匀磁场。此时，低能电子的回旋半径很小，从而未能有足够的横向偏移去注入到电子探测器上。另一方面，要实现高能离子的高分辨诊断，需要足够小而长的准直孔。而这样的准直孔对于低能电子而言，一点漏磁造成的轨迹偏移就可能使得电子无法注入到谱仪中去。因此现有的常规汤姆逊谱仪或电子谱仪均难以实现宽能谱范围(1-100MeV)相同能量段的电子和离子的能谱诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽能谱范围的带电粒子谱仪，以实现宽能谱范围的相同空间立体角的电子和离子能谱诊断。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种宽能谱范围的带电粒子谱仪，其特征在于，包括：准直器、磁场发生装置、电子探测器组件、绝缘盘、电场发生装置、离子探测器组件和瞄准激光组件；

所述磁场发生装置的一端连接所述准直器，所述磁场发生装置的另一端连接所述绝缘盘；所述磁场发生装置的侧面连接所述电子探测器组件；所述电场发生装置的一端连接所述绝缘盘，所述电场发生装置的另一端连接所述瞄准激光组件；所述离子探测器组件安装在所述电场发生装置的一侧；

通过激光加速产生的带电粒子穿过所述准直器，注入到所述磁场发生装置中；所述带电粒子包括离子和电子；所述电子偏转到所述磁场发生装置侧面的电子探测器上被记录，实现电子能谱的测量；穿出所述磁场发生装置的所述离子注入到所述电场发生装置中，然后偏转到离子探测器上被记录，实现离子能谱的测量。

可选的，所述磁场发生装置包括：磁场屏蔽铁壳体、具有下降沿的第一磁铁和具有上升沿的第二磁铁；所述磁场屏蔽铁壳体包括准直器安装部、侧部、第一方形屏蔽铁和第二方形屏蔽铁；

所述准直器安装部上设置有圆形通孔；所述准直器安装在所述圆形通孔内；所述第一方形屏蔽铁、所述第二方形屏蔽铁以及所述侧部均位于所述准直器安装部与所述绝缘盘之间；所述第一方形屏蔽铁的一端与所述准直器安装部的一端连接，所述第一方形屏蔽铁的另一端连接所述绝缘盘；所述第二方形屏蔽铁的一端连接所述准直器安装部的另一端，所述第二方形屏蔽铁的另一端连接所述绝缘盘；所述第一方形屏蔽铁与所述第二方形屏蔽铁正对；所述侧部的一端连接所述第一方形屏蔽铁的一侧，所述侧部的另一端连接所述第二方形屏蔽铁的一侧，所述侧部与所述第一方形屏蔽铁垂直；所述具有下降沿的第一磁铁位于所述第一方形屏蔽铁下方；所述具有上升沿的第二磁铁位于所述第二方形屏蔽铁上方；所述具有下降沿的第一磁铁与所述具有上升沿的第二磁铁之间具有空隙。

可选的，所述电子探测器组件包括夹具和电子探测器；所述夹具的一端连接所述第一方形屏蔽铁的另一侧，所述夹具的另一端连接所述第二方形屏蔽铁的另一侧；所述夹具与所述侧部正对；所述夹具的电子探测器安装面与所述第一方形屏蔽铁垂直；所述电子探测器安装在所述夹具的电子探测器安装面上。

可选的，所述电场发生装置包括：电极板、电极板绝缘装配盒以及金属外壳；所述电极板包上电极板和下电极板；所述上电极板和所述下电极板为两块相互平行的楔形金属板；所述电极板绝缘装配盒包括楔形上板、楔形下板和两个侧壁；所述两个侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁；

所述金属外壳的一端连接所述绝缘盘，所述金属外壳的另一端连接所述瞄准激光组件；所述电极板绝缘装配盒位于金属外壳中；所述电极板绝缘装配盒的所述楔形上板与所述楔形下板正对；所述第一侧壁和第二侧壁均位于所述所述楔形上板和所述楔形下板之间；所述第一侧壁与所述第二侧壁正对；所述楔形上板、所述第一侧壁、所述楔形下板以及所述第二侧壁依次连接围成所述电极板绝缘装配盒；所述电极板绝缘装配盒的两端均为开口；所述电极板绝缘装配盒的第一开口端与所述绝缘盘相连；所述上电极板安装在所述楔形上板下方；所述下电极板安装在所述楔形下板上方。

可选的，所述电极板绝缘装配盒的所述第二侧壁上设有接线孔；所述电极板的电源线通过所述接线孔及麻花针与所述电极板连接。

可选的，所述离子探测器组件包括：离子探测器安装架和离子探测器；所述离子探测器包括低能离子探测器和高能离子探测器；所述离子探测器安装架包括低能离子探测器安装部、高能离子探测器安装部和连接部；

所述连接部的一端连接所述低能离子探测器安装部，所述连接部的另一端连接所述高能离子探测器安装部；所述低能离子探测器安装部为梯台形；所述低能离子探测器安装在所述低能离子探测器安装部的斜面上；所述高能离子探测器安装部为长方体形；所述高能离子探测器安装在所述高能离子探测器安装部的高能离子探测器安装面上；所述电极板绝缘装配盒的第二开口端与所述高能离子探测器安装面正对。

可选的，所述楔形金属板的楔形轮廓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与所述低能离子探测器安装部的所述斜面平行；所述离子探测器与所述电极板之间的距离大于10mm。

可选的，所述斜面的宽度大于两块所述楔形金属板之间的距离；所述高能离子探测器安装面的宽度大于两块所述楔形金属板之间的距离。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中，通过激光加速产生的带电粒子(包括电子和离子)穿过准直器，注入到磁场发生装置，然后电子偏转到磁场发生装置侧面的电子探测器上被记录，实现电子能谱的测量；穿出磁场发生装置的离子注入到电场发生装置中，然后偏转到离子探测器上被记录，实现离子能谱的测量。本发明电子只受到磁场发生装置的磁场作用，而离子在穿过磁场发生装置后再通过电场发生装置，从而可以将不同种类离子分辨开来。采用本发明提供的带电粒子谱仪可以很好地实现相同空间立体角电子和离子的同时诊断。

此外，本发明中低能段离子注入到位于电场发生装置侧面的低能离子探测器上；高能段离子注入到位于电场发生装置后面的高能电子探测器上。低能段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，使带电粒子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围，而且可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险。本发明中采用具有上升沿的磁场发生装置可以在满足高能端诊断需求的情况下，降低电子能量诊断阀值，而且可以很好地缓解低能电子通过准直孔时，由于漏磁造成的轨迹偏移，从而使低能电子更加精准注入到谱仪中。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***式安装可以有效解决金属极板表面粗糙问题，从而能够承受更高的电压，实现更高能量的离子种类分辨。

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性的前提下，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宽能谱范围的带电粒子谱仪的第一剖面示意图；

图2为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的第二剖面示意图；

图3为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的电子探测器组件的夹具示意图；

图4为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的楔形金属板示意图；

图5为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的电极板绝缘装配盒示意图；

图6为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的离子探测器组件的离子探测器安装架示意图。

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宽能谱范围的带电粒子谱仪，以实现相同空间立体角电子和离子的同时诊断，增加低能端诊断阈值，使宽能谱范围的带电粒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。

图1为本发明实施例宽能谱范围的带电粒子谱仪的第一剖面示意图，图2为本发明实施例宽能谱范围的带电粒子谱仪的第二剖面示意图，如图1图2所示，本发明提供的一种宽能谱范围的带电粒子谱仪，包括：准直器1、磁场发生装置2、电子探测器组件3、绝缘盘4、电场发生装置、离子探测器组件9和瞄准激光组件8。

所述磁场发生装置2的一端连接所述准直器1，所述磁场发生装置2的另一端连接所述绝缘盘4。所述磁场发生装置2的侧面连接所述电子探测器组件3。所述电场发生装置的一端连接所述绝缘盘4，所述电场发生装置的另一端连接所述瞄准激光组件8。所述离子探测器组件9安装在所述电场发生装置的一侧。

具体的，所述磁场发生装置2包括：磁场屏蔽铁壳体、具有下降沿的第一磁铁204和具有上升沿的第二磁铁205。所述磁场屏蔽铁壳体包括准直器安装部201、侧部206、第一方形屏蔽铁202和第二方形屏蔽铁203。

所述准直器安装部201上设置有圆形通孔；所述准直器安装部201厚度为40mm。所述圆形通孔其轴线位于磁场中心平面，与电子探测器的探测面平行。所述圆形通孔的轴线所在的平面中，与探测面平行的平面距离电子探测器的探测面40mm。所述准直器1安装在所述圆形通孔内。所述准直器1为圆柱体，所述准直器1的准直通孔位于所述准直器1的中心轴上。所述第一方形屏蔽铁202、所述第二方形屏蔽铁203以及所述侧部206均位于所述准直器安装部201与所述绝缘盘4之间。如图2所示，所述第一方形屏蔽铁202的一端与所述准直器安装部201的一端连接，所述第一方形屏蔽铁202的另一端连接所述绝缘盘4。所述第二方形屏蔽铁203的一端连接所述准直器安装部201的另一端，所述第二方形屏蔽铁203的另一端连接所述绝缘盘4。所述第一方形屏蔽铁202与所述第二方形屏蔽铁203平行正对。如图1所示，所述侧部206的一端连接所述第一方形屏蔽铁202的一侧，所述侧部206的另一端连接所述第二方形屏蔽铁203的一侧，所述侧部206与所述第一方形屏蔽铁202垂直。所述具有下降沿的第一磁铁204位于所述第一方形屏蔽铁202下方；所述具有上升沿的第二磁铁205位于所述第二方形屏蔽铁203上方。所述具有下降沿的第一磁铁204与所述具有上升沿的第二磁铁205之间具有空隙。所述绝缘盘4上设置有缝隙，所述缝隙与所述具有下降沿的第一磁铁204和所述具有上升沿的第二磁铁205之间的所述空隙尺寸一致。所述具有下降沿的第一磁铁204和具有上升沿的第二磁铁205之间的最小间距为10mm。所述具有下降沿的第一磁铁204和具有上升沿的第二磁铁205均为二极磁铁，所述二极磁铁的最大厚度为12mm，宽度为100mm，总长度为160mm，其中上升沿(下降沿)部分长度为80mm，平台部分长度为80mm。

图3为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的电子探测器组件的夹具示意图，如图3所示，所述电子探测器组件3包括夹具和电子探测器。如图1所示，所述磁场发生装置2的侧面连接所述电子探测器组件3。其中所述夹具的一端连接所述第一方形屏蔽铁202的另一侧，所述夹具的另一端连接所述第二方形屏蔽铁203的另一侧；所述夹具与所述侧部206正对。所述夹具的电子探测器安装面301与所述第一方形屏蔽铁202垂直。所述电子探测器安装在所述夹具的电子探测器安装面301上。

如图1和图2所示，所述电场发生装置包括：电极板5、电极板绝缘装配盒6以及金属外壳7。所述电极板5包括：上电极板501和下电极板502。所述上电极板501和所述下电极板502为两块相互平行的楔形金属板。图4为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的楔形金属板示意图。如图4所示，所述楔形金属板的楔形轮廓由四个直角边和一个斜边构成。所述楔形金属板的每个转角处均为圆角。所述楔形金属板的最长直角边的长度为250mm，与所述楔形金属板的最长直角边正对的一边长度为50mm。所述磁场发生装置2中心平面与所述电极板5的中心平面的距离为5-7mm。

图5为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的电极板绝缘装配盒示意图，如图5所示，所述电极板绝缘装配盒6包括楔形上板601、楔形下板602和两个侧壁；所述两个侧壁分别为第一侧壁603和第二侧壁604。所述电极板绝缘装配盒的所述楔形上板601与所述楔形下板602正对；所述第一侧壁603和第二侧壁604均位于所述所述楔形上板601和所述楔形下板602之间。所述第一侧壁603与所述第二侧壁604正对。所述楔形上板601、所述第一侧壁603、所述楔形下板602以及所述第二侧壁604依次连接围成所述电极板绝缘装配盒6。所述电极板绝缘装配盒6的两端均为开口；如图1所示，所述电极板绝缘装配盒6的第一开口端与所述绝缘盘4相连，所述电极板绝缘装配盒6的第二开口端与高能离子探测器902正对。如图2所示，所述上电极板501安装在所述楔形上板601下方；所述下电极板502安装在所述楔形下板602上方。如图1和图5所示，所述电极板绝缘装配盒6的所述第二侧壁604上设有接线孔605；所述电极板5的电源线通过所述接线孔605及麻花针与所述电极板5连接。

如图1和图2所示，所述金属外壳7的一端连接所述绝缘盘4，所述金属外壳的另一端连接所述瞄准激光组件8。所述瞄准激光组件8包括：出光孔、瞄准孔和与所述出光孔相连的激光器，所述激光器设置在所述瞄准孔内。所述激光器在所述电场发生装置的电场方向上偏离所述磁场发生装置的磁场中心平面5-7mm，在垂直所述电场方向上与所述准直器1的准直通孔重合。所述电极板绝缘装配盒6位于金属外壳7中。

如图1和图6所示，所述离子探测器组件9包括：离子探测器安装架和离子探测器。如图1和图2所示，所述离子探测器包括低能离子探测器901和高能离子探测器902。图6为本发明实施例一种宽能谱范围的带电粒子谱仪的离子探测器组件的离子探测器安装架示意图。如图6所示，所述离子探测器安装架包括低能离子探测器安装部904、高能离子探测器安装部903和连接部905。所述连接部905的一端连接所述低能离子探测器安装部904，所述连接部905的另一端连接所述高能离子探测器安装部903。所述低能离子探测器安装部904为梯台形。所述低能离子探测器901安装在所述低能离子探测器安装部904的斜面906上。所述高能离子探测器安装部903为长方体形；所述高能离子探测器902安装在所述高能离子探测器安装部903的高能离子探测器安装面907上。

如图1和图2所示，所述电极板绝缘装配盒6的第二开口端与所述高能离子探测器安装面907正对。并且两块所述楔形金属板的斜边组成的平面与所述低能离子探测器安装部904的所述斜面906平行，并且所述斜面906的宽度大于两块所述楔形金属板之间的距离；所述高能离子探测器安装面907的宽度也大于两块所述楔形金属板之间的距离，从而保证离子可以注入到对应的离子探测器上。所述离子探测器9与所述电极板5之间的距离大于10mm。

本发明带电粒子谱仪的工作原理为：激光加速产生的带电粒子(包括电子和离子)穿过准直器1，注入到磁场发生装置2。磁场发生装置2的磁场分布具有一个上升沿，从而可以在满足高能端电子诊断需求的情况下，降低电子能量诊断阈值。在磁场发生装置2侧面放置电子探测器3，用于测量电子能谱，磁场发生装置2后放置绝缘盘4。绝缘盘4用于把磁场部分和电场部分分开。在电场发生装置后放置瞄准激光组件8用于谱仪对打靶点的瞄准。电场发生装置配置有离子探测器组件9，可以从侧面***电场发生装置，***后使得电场发生装置侧面有一块低能离子探测器901，用于测量低能段离子；后面有一块高能离子探测器902，用于测量高能段离子。这样的设置，可以实现以下效果，第一：电子只受到磁场发生装置的磁场作用，而离子在穿过磁场发生装置后再通过电场发生装置，从而可以将不同种类离子分辨开来，可以很好地实现相同空间立体角电子和离子的同时诊断。第二：可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险。第三，低能段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，这样增加了低能段诊断阈值，使带电粒子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围。本发明中采用具有上升沿的磁场发生装置可以在满足高能端诊断需求的情况下，降低电子能量诊断阀值，而且可以很好地缓解低能电子通过准直孔时，由于漏磁造成的轨迹偏移，从而使低能电子更加精准注入到谱仪中，进一步的采用电、磁场分离以及楔形电极板的设计方案，可以实现足够宽能谱的诊断，同时，采用低能段和高能段分开记录的方式，可以使得离子更加垂直地入射到离子探测器上，从而减少斜入射时信号记录的串扰，提高能谱诊断精度。本发明带电粒子能谱诊断范围为1-100MeV，且在100MeV能量附近能谱分辨好于5％。

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。