一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；准直圆盘中心带有准直通孔；锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；Halbach二极磁铁为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体。本发明专利技术中的汤姆逊离子谱仪占用的空间更小，所产生的磁场强度更高。本发明专利技术中在Halbach二极磁铁前设计了一个锥形磁铁屏蔽铁，在一定长宽比情况下，可以有效屏蔽掉外部磁场，同时减小内部磁场损失。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪
本专利技术涉及等离子体物理和核探测领域，具体地讲，是涉及一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。
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。
技术实现思路
为克服现有技术中的上述磁场强度与体积的矛盾关系问题，本专利技术提供设计巧妙、结构简单的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；所述准直圆盘中心带有准直通孔；所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；所述Halbach二极磁铁为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体；所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。具体地，两块金属板的其中一块金属板平行于Halbach二极磁铁的中心轴线，其法向与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行；另一块金属板与Halbach二极磁铁的中心轴线呈一定夹角。具体地，锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径为其另一端的直径的一半；锥形磁场屏蔽铁的厚度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的四分之三。具体地，成像板呈矩形。具体地，Halbach二极磁铁的圆柱体的直径与柱状通孔的直径之比为2.5，其圆柱体的高度与柱状通孔的直径之比为2。具体地，两块金属板的前端的宽度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的三分之二。具体地，该装配内壳和该装配外壳均为非磁性材料。具体地，该装配内壳和装配外壳均为铝；准直圆盘为钽；Halbach二极磁铁为NdFeB48。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术中的汤姆逊离子谱仪占用的空间更小，所产生的磁场强度更高。（2）本专利技术中在Halbach二极磁铁前设计了一个锥形磁铁屏蔽铁，在一定长宽比情况下，可以有效屏蔽掉外部磁场，同时减小内部磁场损失。（3）本专利技术中两块金属板具有一定的夹角，可以在产生足够高电场的条件下保证离子能够实现足够大的偏转而不碰到电极板上。（4）本专利技术的基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪在相同体积下，可以实现比常规汤姆逊谱仪高3倍的能量诊断。实现质子能谱诊断范围为1MeV-100MeV，且在100MeV能量附近能谱分辨小于5%。附图说明图1为本专利技术的第一剖面图。图2为本专利技术的第二剖面图。图3为本专利技术中电极板的示意图。图4为本专利技术中Halbach二极磁铁和锥形磁场屏蔽铁的结构示意图。图5为本专利技术中Halbach二极磁铁的每瓣磁铁的磁化方向与柱状通孔内产生的磁场方向。附图标记说明：1—准直圆盘，2—准直通孔，3—锥形磁场屏蔽铁，4—Halbach二极磁铁，5—装配内壳，6—装配外壳，7—电极板，8—成像板，9—电源线。专业术语解释：成像板：用于离子信号记录，通过分析成像板上离子信号分布可以反推出离子的能谱；也叫IP板（ImagingPlate）。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例如图1至图5所示，一种基于Halbach二极磁铁4的汤姆逊离子谱仪，包括准直圆盘1、锥形磁场屏蔽铁3、Halbach二极磁铁4、电极板7、两根电源线9、成像板8、装配内壳5和装配外壳6；准直圆盘1中心带有准直通孔2；准直通孔2用于限制进入汤姆逊离子谱仪的离子束斑，从而确定离子能谱诊断的谱分辨；所述准直圆盘1的厚度为4mm~8mm，其准直通孔2直径为100um~200um。锥形磁场屏蔽铁3内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；锥形磁场屏蔽铁3用于屏蔽Halbach二极磁铁4外的磁场，保证离子在进入Halbach二极磁铁4前受到尽量少的偏转；锥形磁场屏蔽铁大端端面直径为100mm，其通孔直径为40mm；所述锥形磁场屏蔽铁小端端面直径为50mm，其通孔直径为20mm；所述锥形磁场屏蔽铁厚度为30mm。Halbach二极磁铁4为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体；Halbach二极磁铁4用以产生高强度、分布均本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；所述准直圆盘中心带有准直通孔；所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；所述Halbach二极磁铁呈具有柱状通孔的圆柱体状；所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，其特征在于，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；所述准直圆盘中心带有准直通孔；所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；所述Halbach二极磁铁呈具有柱状通孔的圆柱体状；所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。2.根据权利要求1所述的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕建，陈佳，贺书凯，邓志刚，洪伟，朱斌，张博，张智猛，矫金龙，
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