提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪制造技术

本发明专利技术提供一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，包括外壳以及设置在外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中金属薄片设置在质子束的入射路径上，在金属薄片上设有入射孔，入射孔为点阵结构；磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，质子束的入射路径穿过两块异名磁极磁铁之间；质子探测屏幕设置在质子束的入射路径上。本发明专利技术的有益效果如下：为了提高谱仪的空间分辨率，对原先的二维角分辨质子谱仪进行了改进：将针孔在一维方向上加密，使质子束信号的空间分辨角度由之前的1.9°提高到0.285°。这样能够探测更为直观的质子空间分布信息，对于激光驱动质子加速的研究起到重要的作用。

Two dimensional angle resolved proton spectrometer for improving spatial resolution

The invention provides a method to improve the spatial resolution of two-dimensional angle resolved proton spectrometer, which comprises a casing and is arranged in a shell metal sheet, magnet assembly and proton detection screen; wherein the metal sheet is arranged in the path of the incident proton beam, in metal sheet is provided with a perforation, perforation into the lattice structure; the magnet assembly includes. Magnetic poles of the magnet two parallel spaced, proton beam incident path through between two opposite magnetic poles magnet; proton detection screen is arranged in the path of the proton beam incident. The invention has the advantages that: in order to improve the spatial resolution of the spectrometer, the original two-dimensional angle resolved proton spectrometer has been improved: pinhole encryption in one dimension, the increase of proton beam signal spatial resolution angle from 1.9 degrees to 0.285 degrees. This method can detect more intuitive information about proton space distribution and play an important role in the study of proton acceleration driven by laser.

【技术实现步骤摘要】
提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪
本专利技术涉及一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪。
技术介绍
物理学的发展离不开诊断技术的改进，而诊断技术则伴随着物理学的发展不断地进步。在强场激光领域，激光驱动质子加速是一个极为重要的研究方向，从最开始的TNSA加速机制，到随后发展起来的光压加速、激波加速、BOA加速等多种机制共同发展。当然，不同机制产生的质子束或离子束具有不同的特性。一般测量离子能谱的仪器是汤姆逊离子谱仪(ThomsonionSpectrometer)。传统的汤姆逊离子谱仪主要由三部分组成：离子收集部分(直径为百微米量级的针孔)、电磁场部分(电磁场方向与入射离子运动方向相互垂直)以及离子探测部分(通常是IP、CR39或塑料闪烁体)。典型的汤姆逊离子谱仪的离子收集部分是单个小针孔，针孔对靶点所张的立体角大约在10-7sr量级。待电离子从小孔进入谱仪后，在电磁场的作用下发生偏转，最后由离子探测部分接受信号，从而获得离子能谱。对于理想的汤姆逊离子谱仪，带电离子经过电磁场后的运动轨迹满足：其中，E和B分别代表电场强度和磁感应强度，m、q分别表示离子的质量和电荷。l表示离子穿过电场和磁场区域的长度，D为场中心到探测屏的垂直距离；x和y分别表示离子在电场力和磁场力作用下的偏移量。(1-1)式表明，离子的径迹是一条抛物线，不同荷质比的离子对应于不同的抛物线方程，通过分析离子径迹的强度便可以得到离子的能谱。特别地，对仅有磁场没有电场的离子谱仪而言，离子将沿着磁场方向偏折，其径迹是一条直线。除了能谱之外，空间分布也是衡量质子束性能的重要参数。目前，大多采用RCF(Radiochromicfilm)作为主要的诊断方式。RCF是一种辐射变色薄膜，以聚乙烯醇缩聚物为基质。当高能离子穿过RCF并沉积在薄膜内，其颜色会变深，颜色变化量与离子沉积成正比，通过扫描RCF即可确定RCF内沉积的离子分布。实验时通常将数层RCF相叠(层数视最大质子能量而定)，置于打靶点后4～6cm处，用于测量离子在某一特定能量下的空间角分布，并根据RCF的层数粗略计算出的离子的最大能量，RCF堆栈的层数与其对应的能量。利用RCF，不少研究小组在实验中测得质子束的分布结果。对于典型的TNSA加速机制，质子束的发散角与能量之间存在着负相关关系：即质子能量越高其发散角越小。随着激光驱动质子加速的不断发展，新的加速机制(如光压加速、激波加速、BOA加速等)从理论和实验两方面不断地发展，实验中测得的质子束的性能同TNSA产生的质子束相比也较大的改善。例如，实验上利用圆偏振激光的光压加速产生的质子束和离子束具有准单能特性。同时，实验中也观测到了利用激波加速产生的准单能质子束。从探测器的角度而言，单能质子对探测器的能量分辨率提出了更高的要求。就RCF叠层而言，由于RCF本身具有一定的厚度(例如HD-810为108μm)，对质子的截止能量相差较大。特别在低能部分，RCF的截止能量间隔在1MeV以上，对诊断光压加速或激波加速产生的准单能质子束将受到一定的限制。为了提高探测器的能量分辨率，利用Thomson离子谱仪便于解析离子束能谱的特点探测质子束空间分布便具有重要的意义。不少研究者已经做了相关的工作并取得了明显的进展：自2009年到2012，S.Ter–Avetisyan、H.Chen、D.Jung以及Y.Zheng等人相继提出将入射小孔改成狭缝的设想，设计了一维宽角质子谱仪，并对穿过狭缝的质子进行了相关的分析和研究，并获得了具有一定发散角的质子能谱。然而，对于一维宽角质子谱仪仍然有提升和改进的空间。不少TNSA实验表明质子束并不对称，在空间二维方向上具有特定的空间分布。此外，最新的实验结果表明，BOA加速的质子空间分布上有着明显的调制结构。这些质子束的空间分布间接反映了质子同等离子体相互作用时的物理过程，而一维宽角质子谱仪并无法完全测得质子束在二维方向上的空间分布。仪器的空间分辨率是一项重要指标，决定了空间探测能力。已有的模拟结果表明，在理想情况下，靶后鞘层加速产生的质子束呈现圆环的高斯分布，高能质子集中在中心部分，低能质子分布在圆环边缘处。然而，质子束的空间分布会受到许多物理参数的影响，例如激光光斑的不均匀性、靶面的不平整性等等，此外激光脉冲的抖动误差也会对质子束分布产生一定的影响。K.Zeil和O.Tresca等人用辐射变色片(RCF)探测到了具有空间不均匀性的质子束，这些不均匀的质子束通常都伴有质子束的细微结构，且这些细微结构的空间尺度很小，所对应的质子束发散角通常都小于1°。对于二维角分辨质子谱仪，决定空间分辨率的主要因素是针孔间距。如上节所述，之前设计的二维角分辨质子谱仪，针孔间距为2mm，当针孔距离打靶点60mm时对应的质子束空间发散角为1.9°。这样的空间分辨率虽然能够给出质子束在空间分布的宏观变化趋势，但不足以探测质子束分布的细微结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种更好地反映质质子的空间分布，可以探测质子束空间结构的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，包括外壳以及设置在所述外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中所述金属薄片设置在质子束的入射路径上，在所述金属薄片上设有入射孔，所述入射孔为点阵结构；所述磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，所述质子束的入射路径穿过两块所述异名磁极磁铁之间；所述质子探测屏幕设置在所述质子束的入射路径上。优选地，所述入射孔为二维点阵结构；其中多个所述入射孔排列成孔列，多条孔列平行间隔设置。优选地，所述孔列与竖直方向的夹角θr为21度。优选地，所述入射孔的直径为0.2毫米。优选地，同一所述孔列相邻的所述入射孔之间的间距为0.3毫米。优选地，相邻的所述孔列之间的间距为2毫米。优选地，所述孔列的数量为11列，每列所述孔列的所述入射孔的数量为70个。优选地，所述质子探测屏幕与所述金属薄片之间的间距为225毫米。优选地，两块所述异名磁极磁铁之间的间隙为40毫米，两块所述异名磁极磁铁的延伸距离为50毫米。优选地，在所述质子探测屏幕前设有15微米厚的铝膜。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：为了提高谱仪的空间分辨率，对原先的二维角分辨质子谱仪进行了改进：将针孔在一维方向上加密，使质子束信号的空间分辨角度由之前的1.9°提高到0.285°。这样能够探测更为直观的质子空间分布信息，对于激光驱动质子加速的研究起到重要的作用。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征目的和优点将会变得更明显。图1为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪结构示意图；图2为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪原理图；图3为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪入射孔点阵结构结构示意图；图4为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪GPT计算的质子的能量偏转关系图；图5为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪实验布局图；图6为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪探测数据如图；图7为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪质子能量分布图；图8为本专利技术提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪质子能量随空间分布变化的关系图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，包括外壳以及设置在所述外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中所述金属薄片设置在质子束的入射路径上，在所述金属薄片上设有入射孔，所述入射孔为点阵结构；所述磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，所述质子束的入射路径穿过两块所述异名磁极磁铁之间；所述质子探测屏幕设置在所述质子束的入射路径上。

【技术特征摘要】
1.一种提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，包括外壳以及设置在所述外壳内的金属薄片、磁铁组件及质子探测屏幕；其中所述金属薄片设置在质子束的入射路径上，在所述金属薄片上设有入射孔，所述入射孔为点阵结构；所述磁铁组件包括两块平行间隔设置的异名磁极磁铁，所述质子束的入射路径穿过两块所述异名磁极磁铁之间；所述质子探测屏幕设置在所述质子束的入射路径上。2.根据权利要求1所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述入射孔为二维点阵结构；其中多个所述入射孔排列成孔列，多条孔列平行间隔设置。3.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述孔列与竖直方向的夹角θr为21度。4.根据权利要求2所述的提高空间分辨率的二维角分辨质子谱仪，其特征在于，所述入射孔的直径为0.2毫米。5.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨骕，邓彦卿，远晓辉，方远，葛绪雷，魏文青，高健，刘峰，盛政明，张杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31