[发明专利]二维角分布质子谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及质子谱仪，具体地，涉及二维角分布质子谱仪。

背景技术

1897年，汤姆逊将阴极射线穿过相互垂直的电场和磁场，发现阴极射线的本质是带负电的粒子，并称之为电子。这一划时代的发现证明了原子是可分的，从而打开了原子物理的大门。他在实验时所采用的装有电场、磁场的诊断方法也以其名字保留下来，命名为汤姆逊谱仪(Thomson Parabola Spectrometer)，是目前常用的测量离子能谱的诊断仪器。

传统的汤姆逊谱仪主要由三个装置组成：电磁场装置(磁场方向与入射离子运动方向相互垂直)、质子探测装置(通常是成像板IP或CR39)以及质子筛选装置(直径为200um到500um的单个入射孔)。高能带电离子从该单个入射孔进入磁场后，在电磁场装置所产生电磁场的作用下发生偏转，最后由质子探测装置接受信号，可以获得离子信号的能谱。对于理想的汤姆逊谱仪，带电离子经过电磁场后的轨迹满足如下关系：

其中，E为电场强度，B代表磁感应强度，m、q分别表示离子的质量、电荷，l是离子穿过电场和磁场区域的长度，D为场中心到探测屏的垂直距离，x和y分别表示离子在电场力和磁场力作用下的偏移量。式(1)表明，离子的径迹是一条抛物线，具有不同荷质比的离子会得到不同的抛物线。通过分析离子径迹的强度便可以得到离子的能谱。特别的，对仅有磁场没有电场的离子谱仪而言，离子将沿着磁场方向偏折，其径迹是一条直线。

由于汤姆逊谱仪在研究质子加速方面有着重要的应用，谱仪本身也在不断地发展。虽然离子谱仪能够获取能谱，但传统的汤姆孙谱仪所探测的离子首先都是穿过单个入射孔的。入射孔对应的离子发散角大约在10^-7sr～10^-8sr量级，无法获取离子角分布的信息。目前，许多实验室都采用RCF(Radiochromic film)作为探测离子角分布的诊断方法：将4～8层RCF相叠(视质子能量而定)，置于打靶点后4～6cm处(见“Laser-driven ion acceleration:Source optimization and optical control.Thesis,2008”)，用以测量离子在某一特定能量下的空间角分布以及的离子最大能量。

RCF是探测质子发散角的常用诊断方法，众多研究人员对此进行了相关的实验研究。通过RCF记录的质子信号，发现质子的发散角与能量之间存在着负相关关系，即质子能量越高其发散角越小(见“sauerbrey&u.schramm et al.Nature Communications|DoI:10.1038/ncomms1883”、“Wahlstro¨m.Physical Review Letters.95,175002(2005)”以及“Effect of self-generated magnetic fields on fast electron beam divergence in solid targets,New J.Phys.12,063018(2010)”。虽然测试结果非常直观，但RCF也有明显的局限性：

首先是单次使用性，即测试过一次之后就需要更换新的RCF。为了提高实验效率，通常将RCF固定在sigma旋转台上，打一发旋转一次，这样抽一次真空可以打4至8发。其次是能量间隔大，由于RCF本身具有一定的厚度(约100um)，获得的能量是高度离散化的。每层RCF可以探测某一能量层的质子角分布，但低能段(第一层到第二层)能量间隔高达2MeV。