一种带电粒子消色差能量选择成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及高能带电粒子成像装置及方法，具体涉及一种带电粒子消色差能量选择成像装置及方法。解决了目前带电粒子成像技术存在色差模糊、透射粒子能损信息利用不足的技术难题。本发明专利技术装置包括带电粒子束源、束流传输单元和光学成像单元；束流传输单元包括四个对称单元和用于能量选择的两个限束狭缝组件，对称单元包括真空管道和二极磁铁；真空管道包括圆弧段和设置在圆弧段两端的直线段；二极磁铁套设在圆弧段上，使得对称单元为对称结构；带电粒子束的传输矩阵为六阶矩阵A，且满足条件：A

【技术实现步骤摘要】
一种带电粒子消色差能量选择成像装置及方法


[0001]本专利技术涉及高能带电粒子成像装置及方法，具体涉及一种带电粒子消色差能量选择成像装置及方法。

技术介绍

[0002]高能带电粒子成像是利用高能质子或电子作为探针对物质或电磁场进行诊断的一种成像技术。相比于X射线成像，高能带电粒子成像技术具有穿透能力强、对电磁场敏感等优点，在等离子体物理研究中被广泛应用，包括对等离子体扰动的诊断、对等离子体中电磁场的诊断等，开展高能带电粒子成像技术研究对解决惯性约束热核聚变等关键基础科学问题具有重要意义。
[0003]高能带电粒子成像技术主要包括两类：(1)投影成像，其原理类似于X射线点投影背光成像，目前已被应用于惯性约束热核聚变过程电磁场演化诊断，但该方法中透射粒子束的散角和能散会造成图像模糊，导致该项技术很难取得较高的空间分辨率；(2)透镜成像，其原理和透射显微镜类似，利用磁透镜组形成的点对点成像装置可以减小透射粒子散角造成的图像模糊，从而提升空间分辨能力。
[0004]目前基于四极磁铁组的透镜成像技术解决了透射粒子散角造成的图像模糊问题，对低Z薄靶的诊断已实现亚微米级的空间分辨，但基于四极磁铁组的透镜成像技术不具备消色差能力，无法减小透射粒子能散造成的色差模糊，当样品为高Z厚靶时空间分辨较差，并且对带电粒子束探针的品质提出了较为苛刻的要求。同时，透射粒子能量损失率和靶物质的电子密度成正比，透射粒子的能损蕴含了待诊断物质的密度信息，目前已有的高能带电粒子成像技术不具备能量选择成像能力，无法从透射粒子能量中提取信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决当前高能带电粒子成像技术存在色差模糊以及透射粒子能损信息利用不足的技术难题，而提供一种带电粒子消色差能量选择成像装置及方法。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]本专利技术一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特殊之处在于，包括带电粒子束源、束流传输单元和光学成像单元；
[0008]所述带电粒子束源设置在束流传输单元入射端前侧，用于产生具有能量分布的带电粒子束；
[0009]所述束流传输单元包括四个对称单元和两个限束狭缝组件，四个对称单元沿传输方向依次连接，第一个对称单元前端和第四个对称单元后端分别为物平面和像平面；所述物平面处用于设置被照物体；
[0010]所述对称单元包括真空管道和二极磁铁；
[0011]所述二极磁铁为圆弧状结构；
[0012]所述真空管道包括圆弧段和分别设置在圆弧段两端的长度相同的直线段；所述二
极磁铁套设在所述圆弧段上，且二极磁铁的两个端面平行；
[0013]所述带电粒子束在束流传输单元的传输矩阵为六阶矩阵A，且六阶矩阵A满足以下条件：
[0014]A
11
＝0、A
22
＝0、A
33
＝0、A
44
＝0
[0015]其中，六阶矩阵A中A
11
、A
22
、A
33
、A
44
分别代表第1行第1列的元素、第2行第2列的元素、第3行第3列的元素、第4行第4列的元素；
[0016]所述两个限束狭缝组件分别设置在第一个对称单元和第二个对称单元之间、第三个对称单元和第四个对称单元之间的连接处；所述限束狭缝组件上设置有限束狭缝，用于使符合能量要求的带电粒子通过；
[0017]所述光学成像单元包括设置在像平面处的电光转换屏和设置在电光转换屏输出光路上的CCD相机，带电粒子束照射被照物体后，经束流传输单元进入电光转换屏转换成光信号，在CCD相机进行成像。
[0018]进一步地，所述二极磁铁的磁场强度B满足以下公式：
[0019][0020]E
k
代表带电粒子束的中心能量；
[0021]c代表光速；
[0022]q代表单个带电粒子所带电荷量；
[0023]E0代表单个带电粒子的静止能量；
[0024]R代表二极磁铁的圆弧所在圆的半径。
[0025]进一步地，所述四个对称单元的真空管道为一体式结构。
[0026]进一步地，所述限束狭缝组件包括金属板和设置在金属板中部的立方体通孔，立方体通孔形成限束狭缝，两个限束狭缝组件的金属板分别设置在第一个对称单元和第二个对称单元之间、第三个对称单元和第四个对称单元之间的真空管道内，且金属板边部与真空管道内壁密封连接。
[0027]进一步地，所述限束狭缝的宽度、深度和高度分别定义为Dx、T和D
y
；
[0028]所述Dx、D
y
分别满足以下公式：
[0029][0030][0031]A
12
：表示六阶矩阵A中第1行第2列的元素；
[0032]A
16
：表示六阶矩阵A中第1行第6列的元素；
[0033]x'0：表示带电粒子在物平面处x方向的初始发射角；
[0034]δ：表示带电粒子的能散；
[0035]A
34
：表示六阶矩阵A中第3行第4列的元素；
[0036]y'0：表示带电粒子在物平面处y方向初始发射角；
[0037]所述限束狭缝的深度T＝2
△
x；
[0038]△
x＝0.53E
k
‑
0.106
[0039]△
x为带电粒子的射程，单位为g/cm2；
[0040]E
k
为带电粒子束的中心能量，单位为MeV。
[0041]进一步地，所述金属板材质为铜。
[0042]同时，本专利技术还提供了一种带电粒子消色差能量选择成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0043]1)设计参数
[0044]1.1)通过模拟软件计算得到二极磁铁边缘磁场分布，用Enge函数拟合二极磁铁的边缘磁场分布，得到Enge函数参数；
[0045]1.2)通过Enge函数参数描述边缘磁场分布，采用束流光学计算软件进行束流光学匹配计算，调整二极磁铁的偏转角θ、偏转半径R、入口/出口边缘角α和直线段长度L，使得带电粒子束在束流传输单元的传输矩阵为六阶矩阵A，且六阶矩阵A满足以下条件：A
11
＝0、A
22
＝0、A
33
＝0、A
44
＝0，匹配得到优化的偏转角θ、偏转半径R、入口/出口边缘角α和直线段长度L的具体数值；
[0046]其中，偏转角θ为二极磁铁圆弧所在圆的圆心角，偏转半径R为二极磁铁圆弧所在圆的半径，入口/出口边缘角α为二极磁铁的中心轴线与两端面的交点所在直径与对应端面的夹角；
[0047]1.3)选择所需的带电粒子类型和带电粒子的中心能量E
k
，再结合步骤1.2)得到的偏转半径R，计算得到二极磁铁的磁场强度B；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：包括带电粒子束源(6)、束流传输单元和光学成像单元；所述带电粒子束源(6)设置在束流传输单元入射端前侧，用于产生具有能量分布的带电粒子束；所述束流传输单元包括四个对称单元和两个限束狭缝组件(5)，四个对称单元沿传输方向依次连接，第一个对称单元前端和第四个对称单元后端分别为物平面和像平面；所述物平面处用于设置被照物体(7)；所述对称单元包括真空管道(10)和二极磁铁(4)；所述二极磁铁(4)为圆弧状结构；所述真空管道(10)包括圆弧段和分别设置在圆弧段两端的长度相同的直线段；所述二极磁铁(4)套设在所述圆弧段上，且二极磁铁(4)的两个端面平行；所述带电粒子束在束流传输单元的传输矩阵为六阶矩阵A，且六阶矩阵A满足以下条件：A
11
＝0、A
22
＝0、A
33
＝0、A
44
＝0其中，六阶矩阵A中A
11
、A
22
、A
33
、A
44
分别代表第1行第1列的元素、第2行第2列的元素、第3行第3列的元素、第4行第4列的元素；所述两个限束狭缝组件(5)分别设置在第一个对称单元和第二个对称单元之间、第三个对称单元和第四个对称单元之间的连接处；所述限束狭缝组件(5)上设置有限束狭缝，用于使符合能量要求的带电粒子通过；所述光学成像单元包括设置在像平面处的电光转换屏(8)和设置在电光转换屏(8)输出光路上的CCD相机(9)，带电粒子束照射被照物体(7)后，经束流传输单元进入电光转换屏(8)转换成光信号，在CCD相机(9)进行成像。2.根据权利要求1所述的一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：所述二极磁铁(4)的磁场强度B满足以下公式：E
k
代表带电粒子束的中心能量；c代表光速；q代表单个带电粒子所带电荷量；E0代表单个带电粒子的静止能量；R代表二极磁铁的圆弧所在圆的半径。3.根据权利要求1或2所述的一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：所述四个对称单元的真空管道(10)为一体式结构。4.根据权利要求3所述的一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：所述限束狭缝组件(5)包括金属板和设置在金属板中部的立方体通孔，立方体通孔形成限束狭缝，两个限束狭缝组件(5)的金属板分别设置在第一个对称单元和第二个对称单元之间、第三个对称单元和第四个对称单元之间的真空管道(10)内，且金属板边部与真空管道(10)内壁密封连接。
5.根据权利要求4所述的一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：所述限束狭缝的宽度、深度和高度分别定义为Dx、T和D
y
；所述Dx、D
y
分别满足以下公式：分别满足以下公式：A
12
：表示六阶矩阵A中第1行第2列的元素；A
16
：表示六阶矩阵A中第1行第6列的元素；x'0：表示带电粒子在物平面处x方向的初始发射角；δ：表示带电粒子的能散；A
34
：表示六阶矩阵A中第3行第4列的元素；y'0：表示带电粒子在物平面处y方向初始发射角；所述限束狭缝的深度T＝2
△
x；
△
x＝0.53E
k
‑
0.106
△
x为带电粒子的射程，单位为g/cm2；E
k
为带电粒子束的中心能量，单位为MeV。6.根据权利要求5所述的一种带电粒子消色差能量选择成像装置，其特征在于：所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：张长青，盛亮，李豪卿，黑东炜，王群书，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：