基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪制造技术

本发明专利技术提供了一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，包括：电子准直装置、均匀磁场装置、薄膜闪烁体、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述电子准直装置、均匀磁场装置以及薄膜闪烁体设置在壳体内，且所述壳体在电子准直装置的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔用于辅助电子谱仪的位置调整。本发明专利技术中的电子谱仪是在传统的基于磁场偏转的电子谱仪基础上，结合了闪烁体的实时探测、塑料光纤的低噪声和灵活、面光纤阵列与探测器像面的良好匹配等优点，实现了简单、易操作的电子谱仪，本发明专利技术中的电子谱仪可以诊断和探测能量在0.98MeV到4.55MeV的电子，并可扩展到更高的能段，在激光等离子体物理中有重要的应用价值。

A real time electron spectrometer based on thin film scintillator and fiber array

The present invention provides a real-time electronic spectrometer, and film scintillator based on optical fiber array includes: electronic collimation device, a uniform magnetic field device, film scintillator, optical fiber line conversion array and imaging system; the electronic collimation device, a uniform magnetic field device and film scintillator is arranged in the shell, and the shell a hole in the axial electron collimating device, the coaxial hole is used to adjust the position of auxiliary electron spectrometer. Electron spectrometer in the invention is based on the traditional electronic magnetic deflection spectrometer based on the combination of the scintillator real-time detection, low noise and flexible plastic optical fiber, optical fiber array detector and image plane matching etc., realize the electronic spectrum is simple and easy to operate, electron spectrometer detection and diagnosis of energy to 4.55MeV electrons in the 0.98MeV of the invention, and can be extended to higher energies, has important application value in laser plasma physics.

【技术实现步骤摘要】
基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪
本专利技术涉及电子谱仪
，具体地，涉及基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪。技术背景自1985年G.Mourou等人提出啁啾脉冲放大技术(ChirpedPulseAmplification，CPA)以来，激光的功率达到TW-PW量级，聚焦功率密度达到1020W/cm2以上，如此超强的超短脉冲激光与物质相互作用将产生大量相对论能量电子，这些相对论电子的产生和输运是激光等离子体相互作用的很多过程的基础，是高能能量密度物理研究领域内一个基本的课题。因此测量这种相对论电子的能谱就显得极为重要。电子能谱一般是基于电子在磁场中偏转的原理来测量的。电子在磁场中受到洛伦兹力的作用进行偏转，不同能量的电子偏转的半径不同，会在空间上分开。电子在磁场中的偏转半径可表述为：其中m,v,q分别表示电子的质量、速度和电量。γ表示相对论因子，B为磁场强度。在磁场内部不同位置放上诊断电子的探测器，就可以测量电子的能谱。目前，最常用的电子谱仪探测器有成像板(ImagePlate，IP)，薄膜闪烁体和闪烁体光纤。IP成像板响应灵敏，电子束经过IP后会留下信号，因此它可以直接记录电子的数据，它的测量范围广，动态范围高。一般地，IP成像板被应用在低频率的激光等离子体实验中。这是因为IP是一种被动探测装置，需要破坏靶室真空取出并使用专门读出仪获取信号。同时，其信号会随时间逐渐消退，因此，不宜过长时间的放置。而且，再次使用需要曝光清除其中的残留信号。闪烁体的工作机制是：当电子入射到闪烁体时，闪烁体会发射闪烁荧光，因此闪烁体可以把电子信号转换成可见光波段光信号。闪烁体可以在高重复频率下进行实时探测。闪烁体安置于需要测量的位置，电子入射到闪烁体时，发出的可见光经过透镜的收集并成像到sCMOS或CCD上。闪烁体通常是狭长的一窄条，因此只有一窄条的CCD或SCMOS像面被使用，这限制了电子谱仪的能量分辨率。同时，谱仪的整个成像光路系统还需要良好的屏蔽，整体结构比较复杂和臃肿。闪烁体光纤跟闪烁体类似，都是把电子信号转换成可见光，同时也可以在高重复频率下工作。不同的是，闪烁体光纤是可弯曲的，闪烁体光纤的一端并排组成一列，与谱仪内磁场平行，闪烁体光纤的另一端组成一个面型阵列，这提高了CCD或sCMOS的像面利用率。但是因为闪烁体光纤对于电子的响应灵敏，对于其他一些高能粒子(质子、离子和中子等)和辐射(x-ray、γ-ray)也会有响应，因此需要加额外的屏蔽板。为避免闪烁体光纤引入的背景噪声，有些人把闪烁体光纤的长度缩短并把CCD耦合到电子谱仪的内部。但是，在激光等离子体物理试验中，实验过程会激发强的电磁脉冲，sCMOS或CCD在强电磁脉冲的环境中有损坏的危险。通过以上分析，目前电子谱仪就应用的方便性上还有一些不足之处，基于此，我们设计了一款简单灵活，高重复频率的可实时探测的电子谱仪。这种电子谱仪包含有电子准直装置、均匀磁场，薄膜闪烁体，塑料光纤线面转换阵列和基于CCD或sCOMS的成像系统。其工作原理可表述如下：电子经过电子准直装置入射到均匀磁场中。电子在均匀磁场中偏转，并入射到闪烁体上。闪烁体发出可见光，经过塑料光纤的收集，并从光纤的另一端出射。塑料闪烁体的一端排布成线性阵列以适应闪烁体的几何尺寸，另一端排布成面型阵列以适应成像系统的像面。光纤是塑料光纤，对高能粒子和辐射不响应。电子准直装置可以屏蔽磁铁边缘非均匀的磁场。光纤用100微米厚铝膜包裹以屏蔽可见光。面光纤阵列的光通过真空腔的玻璃窗口被放在大气下的成像系统采集。成像系统放在大气下可以更方便的屏蔽电磁脉冲。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪。根据本专利技术提供的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，包括：电子准直装置、均匀磁场装置、闪烁体、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述电子准直装置、均匀磁场装置以及闪烁体设置在电子谱仪主体部分内。优选地，所述电子谱仪主体部分在电子准直装置的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。优选地，所述均匀磁场装置包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对的具有异名磁极的磁铁，该磁铁为NdFeB粘结永磁材料，由平行磁铁生成的磁场成梯形分布，且平行磁铁的磁场方向与电子准直装置的轴向相互垂直；其中磁场均匀区域的磁场大小为0.12Tesla；所述壳体的材料是低碳钢。优选地，所述电子准直装置的制作材料为A3钢，内孔径为3mm，长度为30mm。优选地，所述闪烁体由荧光材料Gd2O2S:Tb制成，所述闪烁体紧贴在线光纤阵列上，所述闪烁体的长、宽、厚分别为200mm、10mm、630μm；且所述闪烁体所在的平面位于电子准直装置的下方位置并与电子准直装置的轴向呈45度夹角。优选地，所述光纤线面转换阵列的一端是均匀排布的线光纤线阵列，每一行线光纤线阵列排布有4根塑料光纤，总共有120行；所述光纤线面转换阵列另一端是均匀排布的面光纤面阵列，每一行面光纤面阵列排布有16根光纤，总共30行；所述线光纤阵列伸入到磁铁内部的均匀磁场区域并于闪烁体10紧贴。优选地，所述成像系统采用成像镜头配合16位高动态范围的sCMOS或CCD对面光纤阵列进行成像。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术的电子谱仪采用了塑料光纤阵列，对高能粒子和辐射不敏感，具有灵活、低噪音等优点。2、本专利技术的电子谱仪采探测器采用了闪烁体，可以在高重复频率下工作。3、本专利技术中特别设计的光纤线面转换阵列很好的匹配了成像探测器(sCMOS或CCD)的像面，提高了能量分辨本领。4、本专利技术中的成像装置放在靶室外可以很好的屏蔽电磁脉冲。5、本专利技术中的光纤柔软易弯折，当改变电子谱仪的探测方向时，不需要改变成像系统。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为电子谱仪整体布局图；图2为电子谱仪主体部分剖面示意图；图3(a)、图3(b)为不同发散角的电子在磁场中的偏转轨迹；图4为线光线阵列示意图；图5为面光线阵列示意图；图6为光纤线面转换阵列结构示意图；图7为电子谱仪的测量范围和能量分辨率；图8为相对的光纤线面转换效率；图9为面光线阵列成像图；图10为电子能谱图；图中：1-产生电子束的靶；2-电子谱仪主体部分；3-光纤；4-面光纤阵列；5-反射镜；6-成像镜头；7-sCMOS相机；8-均匀磁场装置；9-电子准直装置；10-闪烁体；11-线光纤阵列。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。根据本专利技术提供的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，包括：电子准直装置9、均匀磁场装置8、闪烁体10、光纤线面转换阵列以及成像系统。所述均匀磁场装置8、电子准直装置9以及闪烁体10设置在电子谱仪主体部分2内。所述电子谱仪主体部分2在电子准直装置9的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。所述均匀磁场装置8包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，包括：电子准直装置(9)、均匀磁场装置(8)、闪烁体(10)、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述均匀磁场装置(8)、电子准直装置(9)以及闪烁体(10)设置在电子谱仪主体部分(2)内。

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，包括：电子准直装置(9)、均匀磁场装置(8)、闪烁体(10)、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述均匀磁场装置(8)、电子准直装置(9)以及闪烁体(10)设置在电子谱仪主体部分(2)内。2.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述电子谱仪主体部分(2)在电子准直装置(9)的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。3.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述均匀磁场装置(8)包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对的具有异名磁极的磁铁，该磁铁为NdFeB粘结永磁材料，由平行磁铁生成的磁场成梯形分布，且平行磁铁的磁场方向与电子准直装置(9)的轴向相互垂直；其中磁场均匀区域的磁场大小为0.12Tesla；所述壳体的材料是低碳钢。4.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述电子准直装置(9)的制作材料为A3钢，内孔径为3mm，长...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛绪雷，远晓辉，杨骕，方远，魏文青，邓彦卿，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