一种质子在线磁谱仪的制作方法

本发明涉及等离子体物理和核探测领域，特别是涉及一种质子在线磁谱仪。

背景技术：

在激光惯性约束核聚变研究中，质子能谱对分析聚变靶丸的内爆过程有着重要作用。激光惯性约束聚变，需要将多路激光球对称地注入到黑腔(间接驱动)或靶丸(直接驱动)上，而在激光总能量较低情况下，如实验使用的激光装置为神光ii或神光iii原型等情况下，内爆产生的质子产额通常也比较低(通常小于10⁸)。目前的低质子产额实验，探测器单位面积上的质子数目极少，而且在对质子的诊断中，常用的离子径迹探测器，需要在实验后刻蚀处理数小时才能获得质子径迹数据，获取数据的时间长影响实验进度。因此，现有的磁谱仪存在获取质子径迹数据时间长的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种质子在线磁谱仪，解决了现有磁谱仪获取质子径迹数据时间长的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种质子在线磁谱仪，包括：准直圆盘、锥筒形永磁铁装置、装配屏蔽盒、插槽和混合像素探测器；

所述准直圆盘上设有准直狭缝，所述准直狭缝的中心点与所述准直圆盘的中心点重合；所述准直狭缝用于通入质子，并限制进入所述磁谱仪的质子束宽度；

所述锥筒形永磁铁装置的横截面为圆形，且所述锥筒形永磁铁装置为中空结构；所述锥筒形永磁铁装置的第一端的直径小于所述锥筒形永磁铁装置的第二端的直径；

所述锥筒形永磁铁装置包括：外壳、永磁铁和内壳；所述锥筒形永磁铁装置用于产生磁场使所述质子的运动方向发生偏转；

所述永磁铁的横截面为扇形，所述永磁铁的数量为多个，多个所述永磁铁间隔设置，且多个所述永磁铁的外表面紧贴所述外壳的内表面；

所述内壳的外表面紧贴多个所述永磁铁的内表面；所述外壳和所述内壳用于固定所述永磁铁；

所述准直圆盘紧贴所述锥筒形永磁铁装置的第一端；所述准直圆盘的直径等于所述外壳的第一端的直径；

所述装配屏蔽盒的第一端与所述锥筒形永磁铁装置的第二端通过转接环连接，所述装配屏蔽盒的第一端的内径等于所述外壳的第二端的直径；

所述插槽贯穿所述装配屏蔽盒；所述插槽用于放置所述混合像素探测器；

所述混合像素探测器放置于所述插槽内，所述混合像素探测器的感应面朝向所述永磁铁；所述混合像素探测器用于在线记录质子径迹，并得到质子的能谱信息。

可选的，所述准直狭缝的横截面为长方形，所述准直狭缝的狭缝方向与所述磁场方向一致。

可选的，所述永磁铁的数量为8个，所述扇形的弧度为45度，每个所述永磁铁具有一个极化方向。

可选的，所述混合像素探测器至所述锥筒形永磁铁装置的第二端的距离为50毫米-100毫米。

可选的，所述永磁铁的纵向长度为80毫米；

所述锥筒形永磁铁装置的第二端的外径为104毫米，所述锥筒形永磁铁装置的第一端的外径为40毫米。

可选的，所述混合像素探测器的像素为50微米-60微米；

所述混合像素探测器有效探测面的长为70毫米，宽为28毫米。

可选的，所述锥筒形永磁铁装置任一处的所述内壳的外径与所述外壳的外径之比为1：2。

可选的，任意两个相邻的所述永磁铁的磁极化方向相互垂直。

可选的，所述混合像素探测器的型号为widepix2(1)×5-mpx3。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种质子在线磁谱仪，包括：准直圆盘、锥筒形永磁铁装置、装配屏蔽盒、插槽和混合像素探测器；准直圆盘上设有准直狭缝，准直狭缝用于通入质子，并限制进入磁谱仪的质子束宽度；锥筒形永磁铁装置的横截面为圆形，且锥筒形永磁铁装置为中空结构，锥筒形永磁铁装置用于产生磁场使质子的运动方向发生偏转；插槽贯穿装配屏蔽盒，插槽用于放置混合像素探测器；混合像素探测器放置于插槽内，混合像素探测器的感应面朝向永磁铁；混合像素探测器用于在线记录质子径迹，并得到质子的能谱信息。该质子在线磁谱仪采用混合像素探测器可以在线诊断并识别质子径迹，从而实现快速的能谱诊断，解决了获取质子径迹数据时间长的问题。另外该质子在线磁谱仪的准直圆盘的横截面积小于现有磁谱仪横截面积，不会挡住激光光路，扩大了靶丸到磁谱仪准直狭缝的立体角度，使得质子在线磁谱仪的放置位置离靶丸更近，且不妨碍激光的传输，从而增加单位面积混合像素探测器上的质子数目，所述质子在线磁谱仪接收质子的效率约为现有磁谱仪的4倍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的质子在线磁谱仪的结构图；

图2为本发明实施例所提供的质子在线磁谱仪的剖面图；

图3为本发明实施例所提供的永磁铁的磁化方向图。

其中，1、准直圆盘；2、准直狭缝；3、锥筒形永磁铁装置；4、外壳；5、永磁铁；6、内壳；7、装配屏蔽盒；8、插槽；9、混合像素探测器；10、转接环；11、转接盘；12、瞄准孔；13、方形孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种质子在线磁谱仪，图1为本发明实施例所提供的质子在线磁谱仪的结构图；图2为本发明实施例所提供的质子在线磁谱仪的剖面图。参见图1及图2，该质子在线磁谱仪包括：准直圆盘1、锥筒形永磁铁装置3、装配屏蔽盒7、插槽8和混合像素探测器9。

准直圆盘1上设有准直狭缝2，准直狭缝2的中心点与准直圆盘1的中心点重合；准直狭缝2用于通入质子，并限制进入磁谱仪的质子束宽度。准直狭缝2的横截面为长方形，准直狭缝2的狭缝方向与磁场方向一致，准直狭缝2的宽度为250微米，长度为1厘米，保证进入磁铁内部质子的水平发散角小于10毫弧度，限制质子发散角可以限制诊断的能谱分辨率。

锥筒形永磁铁装置3的横截面为圆形，且锥筒形永磁铁装置3为中空结构；锥筒形永磁铁装置3第一端的直径小于锥筒形永磁铁装置3第二端的直径。

锥筒形永磁铁装置3包括：外壳4、永磁铁5和内壳6；锥筒形永磁铁装置3用于产生二极磁场使质子的运动方向发生偏转，且使永磁铁5包围的空间形成使质子运动方向发生偏转的磁场回路。锥筒形永磁铁装置3任一处的内壳的外径与外壳的外径之比为1：2时，锥筒形永磁铁装置3产生的磁场强度为0.85特斯拉(t)。

外壳4和内壳6的横截面均为圆形。

外壳4第一端的直径小于外壳4第二端的直径。外壳4的材料为高强度非铁磁性材料。

内壳6第一端的直径小于内壳6第二端的直径；内壳6第一端的直径小于外壳4第一端的直径，内壳6第二端的直径小于外壳4第二端的直径。内壳6的材料为高强度非铁磁性材料。

永磁铁5的横截面为扇形，永磁铁5的数量为多个，多个永磁铁5间隔设置，且多个永磁铁5的外表面紧贴外壳4的内表面。

永磁铁5的数量为8个，扇形的弧度为45度。图3为本发明实施例所提供的永磁铁的磁化方向图，参见图3，图3中箭头方向为永磁铁5的磁极化方向，每个永磁铁5具有一个磁极化方向，任意两个相邻的永磁铁的磁极化方向相互垂直，优选的8个永磁铁5的磁极化方向依次为90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°、0°。永磁铁5的材料采用牌号为48m的钕铁硼材料，永磁铁5的剩磁约为1.37t，8个永磁铁5形成使质子运动方向发生偏转的磁场回路。

内壳6的外表面紧贴多个永磁铁5的内表面；外壳4和内壳6用于固定永磁铁5。

获得1-5兆电子伏特(mev)能量范围的质子能谱时，锥筒形永磁铁装置3第二端的外径为104毫米，锥筒形永磁铁装置3的第一端的外径为40毫米，每个永磁铁5的纵向长度为80毫米，质子在线磁谱仪放置到距离靶点50mm处，且不妨碍激光的传输。

准直圆盘1紧贴锥筒形永磁铁装置3的第一端，可以通过胶或铆钉将准直圆盘1固定在锥筒形永磁铁装置3的第一端；准直圆盘1的直径等于锥筒形永磁铁装置3第一端的直径，即准直圆盘1的直径等于外壳4第一端的直径。

装配屏蔽盒7的第一端与锥筒形永磁铁装置3的第二端通过转接环10连接，转接环10与内壳6的第二端连接，转接环10的外径等于装配屏蔽盒7的外径，转接环10通过铆钉与装配屏蔽盒7固定连接；装配屏蔽盒7的第一端的内径等于锥筒形永磁铁装置3第二端的外径。装配屏蔽盒7用于磁谱仪的安装连接、瞄准和辐射防护。装配屏蔽盒7采用金属腔体，金属材料优选铝，能有效屏蔽辐射及电磁噪声对混合像素探测器9响应的干扰。

插槽8贯穿装配屏蔽盒7，插槽8贯穿装配屏蔽盒7的方向与准直狭缝2的狭缝方向垂直；插槽8用于放置混合像素探测器9。插槽8的宽度为62毫米，插槽8至锥筒形永磁铁装置3第二端的距离为50毫米-100毫米。通过铆钉将插槽8进行固定，防止插槽8移动。

混合像素探测器9放置于插槽8内，混合像素探测器9的感应面朝向永磁铁5，混合像素探测器9的接头一端朝向上方；混合像素探测器9用于在线记录质子的信号和径迹，并得到质子的能谱信息。混合像素探测器9的像素为50微米-60微米，可以为55微米。混合像素探测器9有效探测面的长为70毫米，宽为28毫米。混合像素探测器9的型号为widepix2(1)×5-mpx3，优选advacam(捷克)公司的widepix2(1)×5-mpx3camera(摄像机)；混合像素探测器9的外观尺寸的长为130毫米，宽为62毫米，高为25毫米。

混合像素探测器9至锥筒形永磁铁装置3第二端的距离为50毫米-100毫米，保证质子的能谱有足够的能量分辨率。

装配屏蔽盒7的第二端设有转接盘11，转接盘11的中心设有瞄准孔12，瞄准孔12以转接盘11中心为圆心，直径1毫米。转接盘11的外径为220毫米-240毫米。转接盘11的瞄准孔12用于通过瞄准激光，使激光依次通过瞄准孔12和准直狭缝2后，入射到靶点，实现磁谱仪的瞄准；当进行瞄准时，插槽8和混合像素探测器9不放置在装配屏蔽盒7中。转接盘11与插槽8放置混合像素探测器9接头一端的对应位置设有方形孔13，方形孔13用于放置混合像素探测器9接头的线路。转接盘11用于与现有的装置：连接筒连接后，挂在靶室法兰上。

本实施例质子在线磁谱仪采用的原理为：质子穿过准直狭缝后，横向受限质子束会受到锥筒形永磁铁装置产生的二极磁场的作用，从而在横向发生偏转，不同能量的质子横向偏转位置不一样，高能偏转少，低能偏转多，从而使得质子在空间分散开。

混合像素探测器可以记录穿过锥筒形永磁铁装置后质子束的横向分布。由于混合像素探测器可以实现单粒子计数，因此可以实现质子产额较低时的诊断，同时混合像素探测器可以实现在线诊断，从而可以代替离子径迹探测器，缩短了实验后处理时间。

本发明质子在线磁谱仪的锥筒形永磁铁装置第一端的外直径为40mm，第二端的外径104mm，磁铁的纵向长度为80mm，仅为现有质子磁谱仪的长为80mm，宽为60mm，高为140mm，所以锥筒形永磁铁装置的体积的仅为现有质子磁谱仪体积的1/2，所以锥筒形永磁铁装置的体积更小，在激光聚变实验中可以离靶更近而不妨碍激光的传输，现有的磁谱仪至少距离靶丸100mm以上，本发明的锥筒形永磁铁装置至少距离靶丸的距离50mm。由于距离靶丸的距离减小，使得磁谱仪接收质子的效率约为现有磁谱仪的4倍。

混合像素探测器可以实时在线单粒子的径迹记录，实时获取数据，相对于离子径迹探测器可以更快速地获得质子信号，同时也可以排除噪声的干扰。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。