一种大动态汤姆逊离子谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种大动态汤姆逊离子谱仪，包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；磁场发生装置内部具有第一离子通道，第一离子通道的一端连接准直器，另一端连接绝缘环；电场发生装置内部具有第二离子通道，第二离子通道的一端连接绝缘环，另一端与成像板相对；本发明专利技术通过绝缘环将磁场部分和电场部分分开，一方面可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险，另一方面，低能端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，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围。

A Large Dynamic Thomson Ion Spectrometer

The invention discloses a large dynamic Thomson ion spectrometer, which comprises a collimator, a magnetic field generator, an electric field generator, an imaging board and an insulating ring for generating a circular motion of ions, a first ion channel in the magnetic field generator, a collimator at one end of the first ion channel and an insulating ring at the other end, and a second ion in the electric field generator. One end of the second ion channel is connected with an insulating ring, and the other end is opposite to the imaging plate. The magnetic field part and the electric field part are separated by the insulating ring, on the one hand, the processing of the electrode plate is simpler and the risk of increasing voltage is reduced. On the other hand, the low-energy ion only needs a short distance electric field direction deviation to prevent the low-energy ion from hitting the electrode plate, thus increasing. Adding a low-energy diagnostic threshold, Thomson ion spectrometer has a larger dynamic range of energy spectrum diagnosis.

【技术实现步骤摘要】
一种大动态汤姆逊离子谱仪
本专利技术涉及等离子物理和核探测领域，特别是涉及一种大动态汤姆逊离子谱仪。
技术介绍
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离子种类和能谱是关系实验物理过程的一个关键参数。传统用于离子种类及能谱诊断的设备为汤姆逊离子谱仪。其电场方向与磁场方向平行。假设离子入射方向为Z方向，磁场方向为X方向，垂直磁场方向及离子入射方向为Y方向。入射离子通过准直通孔进入汤姆逊谱仪，同时受到X方向的电场加速和Y方向的磁场偏转，在电场方向做加速运动，在磁场方向做圆周运动。在穿出谱仪的磁场和电场区域后，不再受到磁场和电场作用，以穿出电、磁场时的速度和方位做匀速直线运动。随着激光技术的发展以及激光质子加速技术的深入研究，实验上可以产生高达几十甚至上百MeV的高能质子及其它离子。因此需要更高能量诊断范围的汤姆逊离子谱仪。目前常用的汤姆逊离子谱仪其磁场是由两块相互平行的磁铁产生的二极磁场。磁铁的磁场强度越大所需要的轭铁就越厚，谱仪的体积和质量也会成倍增加。要实现100MeV以上能谱诊断，且能谱分辨小于5％，需要气隙4cm、材料为NdFeB的磁铁长20cm，磁场峰值强度为0.91T。为了产生这样的强磁场，需要磁铁尺寸为280mm*280mm*220mm(长*宽*高)，质量超过100公斤。这种汤姆逊谱仪体积和质量都比较大，在瞄准时移动不便，在特定条件下体积过大甚至会成为无法克服的缺点。根据电动力学理论，每个永磁铁所具有的静磁场能是一定的，如果将这些能量束缚在更小的空间内，将得到更强的磁场强度，常见的汤姆逊离子谱仪的二极磁铁结构，通常是利用轭铁将磁场束缚在轭铁和永磁铁之间的气隙中，由于轭铁相对磁导率在103量级，永磁铁和空气相对磁导率在100量级，导致大部分磁场能量集中在轭铁中，气隙间的磁场强度常常只有永磁铁剩磁的一半，甚至更低。要得到更强的磁场需要增加轭铁厚度、减小气隙，导致磁铁体积增加，且有效的磁场空间会更小。专利CN206362939U公开了一个基于halbach二极磁铁的汤姆逊谱仪，可以做到尺寸紧凑，能谱分辨率高，但是诊断的能量阈值较高(>4MeV)，高电压存在一定风险，且瞄准和探测器安装使用起来不太便捷。为此我们在前一台汤姆逊谱仪的基础上提出了改进，一方面可以诊断更低阈值的质子，提高了诊断的动态范围，另一方面解决了高压风险，同时在瞄准以及探测器安装方面也更便捷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，使诊断的能力阈值较低，提高了汤姆逊离子谱仪的诊断的范围，同时降低了高压风险。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种大动态汤姆逊离子谱仪包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；所述磁场发生装置内部具有第一离子通道，所述第一离子通道的一端连接准直器，另一端连接所述绝缘环；所述电场发生装置内部具有第二离子通道，所述第二离子通道的一端连接所述绝缘环，另一端与所述成像板相对；离子依次通过所述第一离子通道和所述第二离子通道打到所述成像板上；所述电场发生装置包括电极板，所述电极板为两块相互平行的楔形金属板，所述楔形金属板的楔形由四个直角边和一个斜边构成；两个所述楔形金属板的斜边组成的平面和成像板所在平面平行。可选的，所述磁场发生装置包括Halbach二级磁铁、环形磁场屏蔽铁和环形装配环；所述Halbach二极磁铁为带轴向通孔的环形柱体，所述带轴向通孔的环形柱体由八瓣弧度均为45°的柱状体组成，所述八瓣弧度均为45°的柱状体的极化方向不同；所述环形磁场屏蔽铁的内径与所述Halbach二级磁铁的内径相等，所述环形磁场屏蔽铁的外径与所述Halbach二级磁铁的外径相等；所述绝缘环为环形柱体，所述绝缘环的内径与所述Halbach二极磁铁的内径相等；所述环形装配环的外径与所述绝缘环的外径相等；所述环形磁场屏蔽铁、所述Halbach二极磁铁和所述绝缘环以所述Halbach二极磁铁的环形柱体所在中心轴线依次同轴贴合；所述环形磁场屏蔽铁与所述Halbach二级磁铁的外侧包设有所述环形装配环。可选的，所述Halbach二极磁铁的外径与所述Halbach二极磁铁的内径之比为2.5:1，所述Halbach二极磁铁的高度与所述Halbach二极磁铁的内径之比为1.5:1。可选的，所述的大动态汤姆逊离子谱仪，还包括成像板夹具和瞄准装置；所述成像板夹具的一端设有插槽，所述成像板通过所述插槽插入所述成像板夹具；所述瞄准装置包括长方形金属板、位于所述长方形金属板上的瞄准孔、与金属板相连的激光孔和激光器，所述激光器设置在所述激光孔内。可选的，所述电场发生装置还包括电极板绝缘装配盒、金属盒和电源线；所述电极板绝缘装配盒和所述金属盒均为两端开口的壳体，所述电极板固定在所述电极板绝缘装配盒内，所述电极板绝缘装配盒设置在所述金属盒内，所述电极板绝缘装配盒的一端与所述绝缘环相连，所述金属盒的一端通过转接盘与所述绝缘环相连，所述金属盒的另一端与所述瞄准装置相连；所述金属盒的一侧设置长方形绝缘块，在所述金属盒上设有所述长方形绝缘块的一侧打接线孔，所述接线孔穿过所述长方形绝缘块和所述电极板绝缘装配盒，所述电源线通过麻花针由所述接线孔接入所述电极板，所述长方形绝缘块使所述电源线与所述金属盒绝缘；所述成像板夹具从所述金属盒与电极板相垂直的一侧插入所述金属盒，所述成像板夹具与所述瞄准装置的瞄准孔相对的位置设有通孔；所述激光器发出的光穿过所述成像板夹具从所述准直器的准直通孔射出。可选的，所述激光器在所述电场发生装置的电场方向上偏离所述第一通道的中心轴线3-5mm，在垂直所述电场方向上偏离所述第一通道的中心轴线8-12mm。可选的，所述准直器为圆柱体，准直通孔沿垂直磁场方向距离所述准直器的中心轴8-12mm。可选的，所述成像板与两块所述电极板的斜边组成的平面的距离大于10mm，所述成像板的探测面为矩形，所述成像板的宽度大于两块所述电极板之间距离。可选的，两块所述楔形平行金属板的每个转角处为圆角。可选的，所述第一通道的中心轴线与两块所述电极板平行的中心平面的距离为3-5mm。根据本专利技术提供的
技术实现思路
，本专利技术公开了以下技术效果：(1)本专利技术提供一种大动态汤姆逊离子谱仪，通过绝缘环将磁场部分和电场部分分开，一方面可以使得电极板加工更简单，减小加高电压风险，另一方面，低能端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，使汤姆逊离子谱仪具有更大的能谱诊断动态范围；(2)本专利技术中电极板与周围金属材料距离均大于10mm，且使用麻花针插入式安装可以有效解决金属极板表面粗糙，从而能够承受更高的电压，实现更高能量的离子种类分辨；(3)本专利技术中成像板夹具上开有插槽，可以方便成像板的插取；成像板夹具与瞄准装置用夹具分开，可以方便瞄准装置和探测器的安装，减少实验探测器瞄准时间。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一种大动态汤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；所述磁场发生装置内部具有第一离子通道，所述第一离子通道的一端连接所述准直器，另一端连接所述绝缘环；所述电场发生装置内部具有第二离子通道，所述第二离子通道的一端连接所述绝缘环，另一端与所述成像板相对；离子依次通过所述第一离子通道和所述第二离子通道打到所述成像板上；所述电场发生装置包括电极板，所述电极板为两块相互平行的楔形金属板，所述楔形金属板的楔形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和成像板所在平面平行。

【技术特征摘要】
1.一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括：准直器、用于产生使离子做圆周运动的磁场发生装置、电场发生装置、成像板和绝缘环；所述磁场发生装置内部具有第一离子通道，所述第一离子通道的一端连接所述准直器，另一端连接所述绝缘环；所述电场发生装置内部具有第二离子通道，所述第二离子通道的一端连接所述绝缘环，另一端与所述成像板相对；离子依次通过所述第一离子通道和所述第二离子通道打到所述成像板上；所述电场发生装置包括电极板，所述电极板为两块相互平行的楔形金属板，所述楔形金属板的楔形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和成像板所在平面平行。2.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述磁场发生装置包括Halbach二级磁铁、环形磁场屏蔽铁和环形装配环；所述Halbach二极磁铁为带轴向通孔的环形柱体，所述带轴向通孔的环形柱体由八瓣弧度均为45°的柱状体组成，所述八瓣弧度均为45°的柱状体的极化方向不同；所述环形磁场屏蔽铁的内径与所述Halbach二级磁铁的内径相等，所述环形磁场屏蔽铁的外径与所述Halbach二级磁铁的外径相等；所述绝缘环为环形柱体，所述绝缘环的内径与所述Halbach二极磁铁的内径相等；所述环形装配环的外径与所述绝缘环的外径相等；所述环形磁场屏蔽铁、所述Halbach二极磁铁和所述绝缘环以所述Halbach二极磁铁的环形柱体所在中心轴线依次同轴贴合；所述环形磁场屏蔽铁与所述Halbach二级磁铁的外侧包设有所述环形装配环。3.根据权利要求2所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，所述Halbach二极磁铁的外径与所述Halbach二极磁铁的内径之比为2.5:1，所述Halbach二极磁铁的高度与所述Halbach二极磁铁的内径之比为1.5:1。4.根据权利要求1所述的一种大动态汤姆逊离子谱仪，其特征在于，还包括成像板夹具和瞄准装置；所述成像板夹具的一端设有插槽，所述成像板...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕建，贺书凯，邓志刚，朱斌，张智猛，洪伟，张博，崔波，王红莲，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51