一種質(zhì)子能量譜儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種質(zhì)子能量譜儀，包括鉛板、設(shè)置在鉛板后的磁場(chǎng)裝置和設(shè)置在磁場(chǎng)裝置后的采集裝置，所述鉛板具有所述鉛板具有線狀入口，且該線狀入口與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。本實(shí)用新型能夠測(cè)出質(zhì)子束空間角分辨能譜分布，能夠更全面地反映質(zhì)子束的能譜特征。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種質(zhì)子能量譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及離子能量探測(cè)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種質(zhì)子能量譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，通常使用湯姆遜譜儀來(lái)測(cè)量質(zhì)子束的能量譜。湯姆遜譜儀包括:具有一個(gè)入射孔的鉛板，磁場(chǎng)裝置和采集裝置，其入射孔一般為幾百微米的圓孔。使用時(shí)，質(zhì)子束從入射孔入射，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)裝置所生成的磁場(chǎng)，最后由采集裝置采集不同位置的粒子數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)由兩塊相距很近的磁鐵及軛鐵產(chǎn)生，因此可以將其磁場(chǎng)視為均勻磁場(chǎng)。質(zhì)子入射到磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同速度的質(zhì)子的偏轉(zhuǎn)量不同，從而使得不同速度的質(zhì)子被分離，這樣采集裝置能夠采集各個(gè)速度的質(zhì)子的數(shù)目，從而得出入射質(zhì)子束中各個(gè)能量的質(zhì)子數(shù)目分別是多少，即得出質(zhì)子束的質(zhì)子能譜。上述方案對(duì)于指向性極高(即發(fā)散角極小)的質(zhì)子束的測(cè)量效果較好。然而，實(shí)際情況中，質(zhì)子束存在一定的發(fā)散角，這個(gè)發(fā)散角往往難以忽略，也就是說(shuō)，質(zhì)子束會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸發(fā)散。傳統(tǒng)的方案只能在某一點(diǎn)處測(cè)出質(zhì)子束的某一具體位置處的質(zhì)子能譜，而這一具體位置的能譜并不能客觀反映該質(zhì)子束的發(fā)散角內(nèi)的其余位置處的能譜，因此，傳統(tǒng)的方案難以客觀全面地測(cè)出質(zhì)子束的能譜特征。
[0003]另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中常常使用成像板在質(zhì)子束下曝光，進(jìn)而測(cè)出質(zhì)子束的發(fā)散角。其中，成像板可以是專(zhuān)用成像板(Image Plate,縮寫(xiě)為IP,例如日本富士公司的BAS IPTR2040E成像板)或者CR39板(CR39是一種材料，質(zhì)子打在上面會(huì)形成小坑)。這種技術(shù)能進(jìn)一步測(cè)出質(zhì)子束發(fā)散角范圍內(nèi)的不同位置處的質(zhì)子數(shù)，即能測(cè)出質(zhì)子束中的質(zhì)子空間分布，但它仍然無(wú)法測(cè)出質(zhì)子能譜的空間分布，因此這種方案也不能客觀全面地測(cè)出質(zhì)子束的能譜特征。
[0004]因此，當(dāng)前迫切需要一種更全面地測(cè)出質(zhì)子束能譜特征的解決方案。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的任務(wù)是提供一種能夠全面地測(cè)出質(zhì)子束能譜特征的解決方案。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種質(zhì)子能量譜儀，包括鉛板、設(shè)置在鉛板后的磁場(chǎng)裝置和設(shè)置在磁場(chǎng)裝置后的采集裝置，所述鉛板具有線狀入口，且該線狀入口與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。
[0007]其中，所述線狀入口為狹縫且該狹縫與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行；或者所述線狀入口為排列成線狀的小孔陣列且所述小孔陣列的排列方向與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。
[0008]其中，所述鉛板厚度為0.5?2mm。
[0009]其中，如果所述鉛板具有狹縫,所述狹縫寬0.5?3mm ;如果所述鉛板具有排列成線狀的小孔陣列，所述小孔陣列的小孔孔徑為0.5?3mm，相鄰小孔的間隔為孔徑的50%?150% o[0010]其中，所述磁場(chǎng)裝置包括兩塊磁鐵及連接兩塊磁鐵的軛鐵，軛鐵為“回”字形，形成一個(gè)封閉的回路。
[0011]其中，如果所述鉛板具有狹縫，所述狹縫長(zhǎng)度不大于所述磁場(chǎng)裝置的兩塊磁鐵間距的90% ;如果所述鉛板具有排列成線狀的小孔陣列，所述小孔陣列的長(zhǎng)度不大于所述磁場(chǎng)裝置的兩塊磁鐵間距的90%。
[0012]其中，所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中心強(qiáng)度為2500?4000高斯。
[0013]其中，所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在三維方向上均為高斯分布。
[0014]其中，所述采集裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝有多塊用于采集質(zhì)子的成像板。
[0015]其中，所述成像板為富士公司的BAS IP TR2040E成像板。
[0016]其中，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)為柱狀體，該柱狀體中空，中空部分用于安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)裝置連接。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有下列技術(shù)效果:本實(shí)用新型能夠測(cè)出質(zhì)子束空間角分辨能譜分布，能夠更全面地反映質(zhì)子束的能譜特征。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1示出了本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀的立體示意圖；
[0019]圖2示出了本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0020]圖3示出了本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀的前視圖；
[0021]圖4示出了本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀的前視圖。
[0022]【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步地描述。
[0024]圖1示出了本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的立體示意圖，根據(jù)該實(shí)施例，質(zhì)子能量譜儀包括機(jī)架I和設(shè)置在機(jī)架I中的磁場(chǎng)裝置2和采集裝置3。圖2示出了該質(zhì)子能量譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體示意圖，結(jié)合參考圖1、圖2，所述機(jī)架I包括前擋板11、左側(cè)擋板15、右側(cè)擋板14、底板13和頂板12，其中前擋11板采用鉛板,鉛板可以阻止前方的電子、X射線和可見(jiàn)光穿過(guò)，避免干擾采集裝置3。作為前擋板11的鉛板的厚度優(yōu)選范圍是0.5?2_，如果過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致加工難度較大，如果太薄，可能難以有效阻止前方的電子、X射線和可見(jiàn)光穿過(guò)。圖3示出了所述質(zhì)子能量譜儀的前視圖，如圖3所示，鉛板上具有狹縫11a。質(zhì)子束可通過(guò)狹縫Ila穿過(guò)鉛板進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，并最終轟擊采集裝置。狹縫Ila的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，就越有利于測(cè)量具有大發(fā)散角的質(zhì)子束，但是為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，狹縫Ila長(zhǎng)度的優(yōu)選范圍為:不大于兩塊磁鐵間距的90%。狹縫Ila寬度的優(yōu)選范圍是0.05?0.3mm。這個(gè)寬度既可以保證測(cè)量結(jié)果具有較高的分辨率，又能使狹縫Ila不易被堵住。本實(shí)施例中所述鉛板厚度優(yōu)選為1_，其上制作有0.2mm寬、30mm長(zhǎng)的狹縫。另外，左側(cè)擋板15、右側(cè)擋板14、底板13和頂板12均采用不銹鋼制作，除前擋板11方向外，機(jī)架的四周(包括儀器后部)均包上鉛皮，以防止周?chē)碾娮?、X射線和可見(jiàn)光影響測(cè)量結(jié)果。
[0025]本實(shí)施例中，磁場(chǎng)裝置2包括兩塊磁鐵(圖中未示出)及連接兩塊磁鐵的軛鐵，軛鐵為“回”字形。如圖2所示,軛鐵的頂部21和底部22分別安裝在底板13和頂板12上，軛鐵的左壁23、右壁24內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽25，用于安裝磁鐵。本實(shí)施例中，前擋板11連接軛鐵，將“回”字形軛鐵的中空部分蓋住，軛鐵的左壁23、右壁24分別與左側(cè)擋板15、右側(cè)擋板14連接共同構(gòu)成整個(gè)儀器的側(cè)壁，如圖2所示。當(dāng)然，在別的實(shí)施例中，左側(cè)擋板、右側(cè)擋板也可以直接與前擋板連接，軛鐵的左壁、右壁分別安裝在左側(cè)擋板、右側(cè)擋板的內(nèi)側(cè)比上，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的。
[0026]參考圖1、圖2，本實(shí)施例中，磁場(chǎng)裝置2產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向平行于鉛板上狹縫的方向。由于需要質(zhì)子束能譜的空間分布，因此兩塊磁鐵之間會(huì)有一定距離，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)難以近似為均勻磁場(chǎng)。為便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，本實(shí)施例采用磁場(chǎng)強(qiáng)度呈三維高斯分布的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)中心強(qiáng)度受譜儀大小和入射質(zhì)子能量限制，本實(shí)施例的磁場(chǎng)中心強(qiáng)度為2900高斯。當(dāng)然，上述磁場(chǎng)的類(lèi)型和強(qiáng)度并不是唯一的，在別的實(shí)施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)需要采用其它類(lèi)型和強(qiáng)度的磁場(chǎng)，例如磁場(chǎng)中心強(qiáng)度可以在優(yōu)選范圍2500?4000高斯內(nèi)選擇。
[0027]仍然參考圖1、圖2，采集裝置3設(shè)置在機(jī)架I的后側(cè)，它包括支撐板34、安裝在支撐板34上的電動(dòng)馬達(dá)33和由電動(dòng)馬達(dá)33驅(qū)動(dòng)的柱狀體旋轉(zhuǎn)臺(tái)31。支撐板34可以固定在所述底板13上。旋轉(zhuǎn)臺(tái)31中空，中空部分用于安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸與電動(dòng)馬達(dá)33連接。本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)31的截面外形為正方形，共有四個(gè)側(cè)面(以轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向?yàn)檩S線)，這四個(gè)側(cè)面可以作為四個(gè)安裝面，分別固定成像板32。馬達(dá)可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)柱狀體旋轉(zhuǎn)臺(tái)31旋轉(zhuǎn)，使得四個(gè)成像板依次面對(duì)前擋板11以接受質(zhì)子束的轟擊。在實(shí)際使用時(shí)，本實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀需要置于真空環(huán)境中，采集裝置采用由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的柱狀體旋轉(zhuǎn)臺(tái)，可以在一次抽真空的情況下進(jìn)行4次測(cè)量(即通過(guò)旋轉(zhuǎn)采集裝置，采集4次后再更換成像板)，從而提高了測(cè)量效率。本實(shí)施例中，成像板采用富士公司(FUJIFILM)的BAS IPTR2040E成像板，該成像板可在讀出數(shù)據(jù)后清洗，并重復(fù)使用。在別的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的截面外形也可以是其它多邊形，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)柱狀體旋轉(zhuǎn)可以使相應(yīng)的側(cè)面輪流面對(duì)前擋板，這樣多個(gè)成像板可以依次采集質(zhì)子束的質(zhì)子信息。
[0028]下面簡(jiǎn)要介紹上述實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀的工作過(guò)程。
[0029]按圖1所示，質(zhì)子束由入射狹縫進(jìn)入譜儀內(nèi)部，在磁場(chǎng)裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，轟擊在采集裝置上，被記錄。對(duì)于所有質(zhì)子，由于其帶正電，在如圖2所示的磁場(chǎng)方向下，質(zhì)子會(huì)向上方偏轉(zhuǎn)。質(zhì)子能量越大，其初始速度就越快，在磁場(chǎng)中向上偏轉(zhuǎn)的量就越少。因此，同一處入射的不同速度的質(zhì)子轟擊到成像板的位置是不同的，因此成像板能夠把該處入射位置所對(duì)應(yīng)的質(zhì)子能譜信息記錄下來(lái)。另外，由于質(zhì)子只向上偏轉(zhuǎn)，而左右不偏轉(zhuǎn)，因此不同位置入射的質(zhì)子分別對(duì)應(yīng)于成像板上一定寬度的豎線，也就是說(shuō)，成像板上一定寬度的豎線內(nèi)記錄的就是由狹縫相應(yīng)位置進(jìn)入質(zhì)譜儀的質(zhì)子的能譜。所有這些豎線就記錄了狹縫所有位置進(jìn)入的質(zhì)子的能譜，即得到具有一定發(fā)散角的質(zhì)子束的能譜空間分布信肩、O
[0030]進(jìn)一步地，可以基于成像板上的能譜空間分布信息計(jì)算出具體的能譜空間分布數(shù)據(jù)。其原理是:在已知磁場(chǎng)的情況下，將整個(gè)磁場(chǎng)區(qū)域劃分為網(wǎng)格狀，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的磁場(chǎng)視為均勻磁場(chǎng)。具備一定能量的質(zhì)子進(jìn)入磁場(chǎng)后，在每一個(gè)小格內(nèi)計(jì)算偏轉(zhuǎn)半徑，從而獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)入下一個(gè)小格，再次計(jì)算，如此重復(fù)，直到質(zhì)子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域。通過(guò)輸入到程序中的磁場(chǎng)區(qū)域大小，以及譜儀的大小，就可以計(jì)算出具備不同能量的質(zhì)子對(duì)應(yīng)的軌跡，從而得到質(zhì)子能量與在成像板上位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。程序中可以選擇計(jì)算的步長(zhǎng)，也就是質(zhì)子能量的間隔，選的間隔越小，計(jì)算的精度就越高，計(jì)算量也越大。最后再反過(guò)來(lái)，對(duì)于某個(gè)入射位置，分別查找每個(gè)能量的質(zhì)子在成像板上所對(duì)應(yīng)的位置，讀出該位置處的質(zhì)子數(shù)信息，這樣就得到了該入射位置處的質(zhì)子數(shù)一質(zhì)子能量的關(guān)系，進(jìn)而得到所有入射位置處的質(zhì)子數(shù)一質(zhì)子能量的關(guān)系，即得到具有一定發(fā)散角的質(zhì)子束的能譜空間分布(也可稱(chēng)為空間角分辨質(zhì)子能譜)。
[0031]根據(jù)本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例，還提供了質(zhì)子能量譜儀的另一種實(shí)現(xiàn)方案。如圖4所示，該實(shí)施例用排列成線狀的小孔陣列Ilb代替了圖3的鉛板中的狹縫11a，所述小孔陣列的排列方向與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。小孔陣列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，就越有利于測(cè)量具有大發(fā)散角的質(zhì)子束，但是為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，小孔陣列長(zhǎng)度的優(yōu)選范圍為:不大于兩塊磁鐵間距的90%。小孔陣列中小孔孔徑的優(yōu)選范圍是0.05mm?0.3mm。這個(gè)寬度既可以保證測(cè)量結(jié)果具有較高的分辨率，又能使狹縫不易被堵住。相鄰小孔的間隔為孔徑的50%?150%，這樣即可以保證測(cè)量結(jié)果有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，又可以避免相鄰小孔通過(guò)的質(zhì)子互相影響。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中所述鉛板厚度優(yōu)選為1mm，其上小孔陣列的長(zhǎng)度為30mm，孔徑為0.2mm，相鄰小孔的間隔為0.2mm。本實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀其余結(jié)構(gòu)與圖1的實(shí)施例相同，不再贅述。
[0032]本實(shí)施例的質(zhì)子能量譜儀能夠采集離散質(zhì)子能譜。對(duì)一條質(zhì)子信號(hào)的豎線進(jìn)行計(jì)算，可以得出該位置的質(zhì)子能譜，對(duì)每一條豎線進(jìn)行計(jì)算，就得到了不同位置的多條能譜，把這些能譜結(jié)合到一起，就獲得了具有一定發(fā)散角的質(zhì)子束的能譜空間分布。
[0033]上述的實(shí)施例僅用來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型，它不應(yīng)該理解為是對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，在不脫離本實(shí)施例精神和原理下，對(duì)上述實(shí)施例所進(jìn)行的各種等效變化、變型以及在文中沒(méi)有描述的各種改進(jìn)均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種質(zhì)子能量譜儀，包括鉛板、設(shè)置在鉛板后的磁場(chǎng)裝置和設(shè)置在磁場(chǎng)裝置后的采集裝置，所述鉛板具有線狀入口，且該線狀入口與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述線狀入口為狹縫且該狹縫與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行；或者所述線狀入口為排列成線狀的小孔陣列且所述小孔陣列的排列方向與所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述鉛板厚度為0.5?2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，如果所述鉛板具有狹縫，所述狹縫寬0.5?3mm ;如果所述鉛板具有排列成線狀的小孔陣列，所述小孔陣列的小孔孔徑為0.5?3mm，相鄰小孔的間隔為孔徑的50%?150%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述磁場(chǎng)裝置包括兩塊磁鐵及連接兩塊磁鐵的軛鐵，軛鐵為“回”字形，形成一個(gè)封閉的回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，如果所述鉛板具有狹縫，所述狹縫長(zhǎng)度不大于所述磁場(chǎng)裝置的兩塊磁鐵間距的90% ;如果所述鉛板具有排列成線狀的小孔陣列，所述小孔陣列的長(zhǎng)度不大于所述磁場(chǎng)裝置的兩塊磁鐵間距的90%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中心強(qiáng)度為2500?4000高斯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述磁場(chǎng)裝置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在三維方向上均為高斯分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述采集裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝有多塊用于采集質(zhì)子的成像板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的質(zhì)子能量譜儀，其特征在于，所述成像板為富士公司的BASIP TR2040E 成像板。
【文檔編號(hào)】H01J49/46GK203481185SQ201320301161
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月29日
【發(fā)明者】李玉同, 鄭軼, 蘇魯寧, 劉必成 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所