一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法与流程

本发明涉及带电粒子能谱测量领域，具体是一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法。

背景技术：

磁谱仪是利用带电粒子在磁场中偏转半径随能量(指动能)变化的特点，测量带电粒子能谱分布的一种仪器。现有的磁谱仪通常如图1所示，由永磁铁6、导磁体中框2和封板1在磁谱仪内部形成均匀封闭的磁场区域，探测介质7固定在一块底拖上，通过底拖把探测介质送入到磁场的特定位置。磁谱仪通过准直孔5对准发射源，带电粒子经过注入孔3进入均匀磁场区域，受磁场洛伦兹力影响，做圆周运动，不同能量的带电粒子的偏转半径不同，则会沉积到探测介质的不同位置，结合探测介质的响应，可分析出带电粒子的能谱。但这种传统的磁谱仪有一个显著地缺点是，由注入孔的孔径引入系统误差，如图1(c)所示，与孔径的大小成正比，同时注入粒子数目与孔径大小相关，为了保证注入粒子数目，注入孔经又要保持一定大小。另外传统的磁谱仪忽略了对注入孔结构设计的重视，容易使带点粒子未进入均匀场区前受泄露、边缘不均匀磁场的偏转，导致粒子不能沉积到计算落点，加大测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，大幅减少了注入孔径引入的系统误差，并降低了在注入过程中带电粒子受到外界的干扰。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的构建方法，其特点在于包括如下步骤：

步骤1)设计探测器底拖的形状来限定探测介质的位置，使该探测面的面型满足双曲线型，方程式如下：

其中，是注入孔直径，x和y是以带电粒子注入孔中心为原点，以带电粒子入射方向为y轴，以垂直于磁感应平面并经过原点，且与y轴垂直的直线为x轴建立的坐标系。

步骤2)构建磁谱仪，具体如下：

将两块磁源同向固定于框体的上下两侧，使两块磁源之间形成均匀磁场；

将封板与磁源外部紧贴，并固定在框体上，构建磁通路，并屏蔽磁场；

在所述的框体的一侧面开设左右两个限位槽，两个限位槽的中间开设注入孔，并插入注入孔结构，在该框体的另一侧面设有与该注入孔同轴的准直孔；

将探测器介质分别贴合到两个探测器底拖的探测面上，将两个探测器底拖分别放入限位槽，探测面朝内。

所述注入孔结构的材料由导磁性好材料制成，用于限制收集带电粒子数量、磁谱仪准直和屏蔽注入过程受到磁场的影响；

磁体结构用于生成均匀磁场，分离带电粒子能谱；双曲线型探测介质底拖用于放置探测介质并限定其位置；探测介质是记录带电粒子响应的器件，可使用成像板或类似器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据带电粒子束初级聚焦位置符合双曲线特点设计底拖，极大消减了注入孔引入的系统误差；

2)粒子通过的有效区域多位置磁场中心，受边界效应影响小，测量精度显著提高；

3)结构紧凑

附图说明

图1为传统的磁谱仪构型装配图，(a)为整体图，(b)为侧视图，(c)为(b)中a-a面的剖视图，其中圆弧曲线表示带电粒子飞行轨迹，起辅助说明；

图2为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的装配图，(a)为结构图，(b)为爆炸图；

图3为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的侧视图；

图4为图3中a-a面的剖视图，其中圆弧曲线表示带电粒子飞行轨迹，起辅助说明；

图5为坐标系下带电粒子飞行轨迹和误差说明示意图。

图中：1为封板；2为框体；3为注入孔；4为探测器底拖；5为准直孔；6为磁源；7为探测介质；8为探测器底拖；9为注入孔结构。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明，本发明的方式包括但不限于此实施例。

请参阅图2，图2为本发明测量带电粒子能谱消减口径误差的磁谱仪的装配图，(a)为结构图，(b)为爆炸图。如图所示，使用两块性能稳定的永磁铁作为磁源6，结合导磁性好的生铁或低碳钢作为框体2和封板1，组成均匀封闭的、满足设计强度的磁场区域(一般选择中间均匀的磁场区域作为工作区)；

在框体的前后位置开两个同轴心孔，用于谱仪准直定位，其一为准直孔5，其二为注入孔3，用于放置注入孔结构9，为了减少高能粒子的影响，将准直孔打大一点，使高能粒子飞离磁谱仪；

注入孔结构9由导磁性好的生铁或低碳钢制作，能够优异的屏蔽外部磁场影响。注入孔3的口径决定入射粒子数目，提高口径加工精度以减少计算带电粒子数目误差，同时避免孔径内毛刺对粒子束偏转的干扰；

为了减少注入孔孔径造成的系统误差，根据理论计算，入射的带电粒子束的会在磁场中多次聚焦，如图4，粒子束从原点沿y轴正方向入射，初级焦线位置满足双曲线方程：

其中是注入孔直径，x和y是以带电粒子注入孔中心为原点，以带电粒子入射方向为y轴，以垂直于磁感应平面并经过原点，且与y轴垂直的直线为x轴建立的坐标系。使注入孔径引入的相对误差为：

其中e(r)表示偏转半径为r的粒子动能，相比图1的经典磁谱仪：

引入的系统误差减少至少50％，同时减小了均匀磁场区域的大小，减小了磁谱仪的大小；

探测介质7采用成像板或类似器件，使用时，将其固定在探测器底拖上，为了使探测器成双曲线型放置，故将探测器底拖加工成双曲线型，然后将探测器底拖插入框体的限位槽中，另外探测器底拖与框体接触部分用导磁性材料制作，避免磁场从此处泄露；

根据带电粒子在磁场中受力特点，正电粒子和负电粒子分别向两侧偏转，两侧探测介质可分别获取能谱信息；

读数据时，需要将探测介质展开，探测介质位置与偏转半径的关系：

其中xc表示探测介质初始位置横坐标值，此式子可求数值积分，考虑相对论情况，粒子偏转半径与粒子动能关系：

粒子动能单位为ev,其中，m是粒子质量，c为真空光速，e为电子电荷，q为粒子电荷，b为磁感应强度，根据以上两个式子，结合探测介质对粒子的响应率，可以获得带电粒子能谱。

本实施例中，磁感应强度为600gs，均匀区域为等腰直角三角形，底边为100mm，磁源可选用两块性能稳定的铁氧体，尺寸为底边长135.42mm的等腰直角三角形和另一边长为32.93mm的长方形构成的五角型，厚度为5mm，一般使磁源尺寸大于均匀场区20mm，配合优良的导磁材料加工的封盖，可使得中间均匀区的峰谷值控制到2％以内，减小测量误差。封盖由用低碳钢做成的中框和封板经装配固定组成，厚度可取为5mm，尺寸可依次推算。本例中磁场厚度为10mm。

在中框上开有两个同轴心直径4mm的孔，位置如图3所示。设置注入孔结构插入到前孔中，材料为黑化处理低碳钢，内径为3±0.01mm，外径4mm，长为31.53mm，中框外留有5mm，且外径应稍大，里面正好到均匀场区。

探测介质底拖磁场内区域厚度为8mm，面型根据方程(1)计算设计，坐标中心为诸如结构内端面圆心，结合探测介质厚度，使探测介质曝光面位于均匀磁场区，底拖外面装有把手，方便插拔。探测介质可选用成像板，宽度可为8mm，长度可为70mm，固定在底拖表面。

使用时，将本磁谱仪侧放或平躺放固定，使用激光笔通过准直孔，使注入孔对准发射源。

若将磁场方向设置为图4中的方向，左侧探测器获得带负电的粒子，如负电子，右侧探测器测得带正电粒子，如正电子、质子或其他离子。根据本设计和方程(5)，可测电子最大动能约为523kev，可测质子最大动能约为430ev。

根据式(3)计算，因口径引入的系统误差，相比传统方式测量电子，在5kev处减少10倍，10kev处减少14倍，100kev处减少近似100倍，500kev处减少133倍。

因此，此发明的磁谱仪可以显著的减少注入孔径引入的系统误差。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。