一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀的製作方法

2023-05-08 08:47:36

一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型針對目前帶電粒子飛行時間能譜儀在其三個主要性能—能量解析度、能量探測量程以及帶電粒子收集效率—綜合提升方面的瓶頸，提出了一種基於磁鏡效應的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀設計方案，旨在利用磁鏡效應對帶電粒子的聚焦約束作用以顯著提高系統的粒子收集效率，從而削弱帶電粒子飛行時間能譜儀三個性能參數之間的負向耦合制約影響，最終實現提高帶電粒子飛行時間能譜儀整體性能的目的。本實用新型帶電粒子收集效率高。在磁鏡效應磁場設計合理的情況下，收集效率將在50%～100%範圍內。
【專利說明】一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，屬於帶電粒子探測分析【技術領域】。
【背景技術】
[0002]飛行時間(Time-0f-Flight，T0F)是帶電粒子光學中一個非常重要的概念，在帶電粒子分析器中，常利用飛行時間的差異來區分並選擇具有不同參量(如質量、動量或能量)的帶電粒子，此即為飛行時間譜儀。帶電粒子飛行時間能譜儀主要的性能參數有能量解析度、能量探測量程和粒子收集效率。
[0003]根據已有的能譜儀能量解析度基本理論可知，系統能量解析度的提高可最終歸結為最基本的方法:增加帶電粒子的有效飛行時間。對此，國際上常用的兩種方法為:增加帶電粒子的有效飛行長度；降低待測電子的能量。對於第一種方法，其最簡單的實施方法是直接增加能譜儀系統管子的長度。但在實際應用中管子長度的增加總是受到多種因素的限制，比如管子內部的真空度以及實驗室空間的限制等。同時，管子長度的增加必將導致帶電粒子接收角的減小而最終降低其收集效率。這些限制因素使得國際上普遍採用更為有效的方法一採用特殊的元件等結構設置以在保持管子長度不變的情況下，間接地增加帶電粒子的有效飛行距離，比如直線反射式或弧線偏轉式飛行時間能譜儀系統。第二種方法可通過在系統中引入拒斥場來實現，其缺陷是拒斥場的存在會導致系統能量探測量程與帶電粒子收集效率的縮小。對此國際上普遍通過引入電場或者磁場或者同時引入電場和磁場的辦法以達到同時優化能譜儀的能量解析度、能量探測量程以及帶電粒子收集效率參數的目的，比如已經得到廣泛應用的雙色電場式飛行時間譜儀(帶電粒子在電場中的加速度不同)或者雙色電磁場式飛行時間譜儀(同時引入電場和磁場)。在採用以上優化方法的基礎上，目前存在的帶電粒子飛行時間動量能量譜儀雖然能在一定的使用範圍內滿足實際工程的要求，但是由其工作原理所決定的在系統總體性能提高方面的瓶頸始終存在著。
[0004]現有的飛行時間動量能量譜儀從本質上講都可歸結為單向式結構，系統中帶電粒子的運動可分解為軸向運動和徑向運動，其中軸向運動決定著帶電粒子的有效飛行時間信息。如此結構上的設置使得這樣的情況成為必然:在能夠被探測器接收的既定條件下，不同初始狀態(包括初始能量Si與初始發射角Gi)的帶電粒子在被探測器接收之前都經歷了相同的有效軸向距離。因而在這樣的系統中，軸向速度小的電子具有較大的飛行時間，這直接意味著系統對具有較大初始發射角的帶電粒子具備相對較高的能量解析度；而在實際的工程應用系統中，顯然只有較小初始發射角的帶電粒子才有較大的收集機率。同時，系統能量解析度隨著待測帶電粒子能量的增加而急劇惡化，這常常成為限制系統能量探測量程的一個重要因素。概括地說，表徵帶電粒子飛行時間能譜儀的三個主要性能參數之間存在著耦合的負向影響關係:一個性能參數的優化往往意味著另一個性能的降低。這使得在當前的新型帶電粒子飛行時間能譜儀設計方面，必須在能量解析度、能量探測量程與帶電粒子收集效率三個主要參數之間找到一個相對較好的平衡點，也即將這種負向制約影響減小到最低的設計方案，從而提升系統的綜合性能。
實用新型內容
[0005]針對目前帶電粒子飛行時間能譜儀在其三個主要性能一能量解析度、能量探測量程以及帶電粒子收集效率一綜合提升方面的瓶頸，本實用新型提出了一種基於磁鏡效應的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀設計方案，旨在利用磁鏡效應對帶電粒子的聚焦約束作用以顯著提高系統的粒子收集效率，從而削弱帶電粒子飛行時間能譜儀三個性能參數之間的負向耦合制約影響，最終實現提高帶電粒子飛行時間能譜儀整體性能的目的。
[0006]本實用新型的具體技術解決方案如下:
[0007]該非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，包括用於形成磁鏡效應的強非均勻磁場的磁鐵複合元件，用於產生均勻弱引導磁場的螺線管，強非均勻磁場和均勻弱引導磁場的磁場方向單調；所述螺線管外側設置有於屏蔽外界磁場對能譜儀系統內部磁場影響的磁屏蔽層，螺線管內腔中部設置有用於產生軸向拒斥場而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場腔，螺線管內腔頂部設置有用於接收帶電粒子的探測器。
[0008]所述磁鐵複合元件所形成的強非均勻磁場的磁場強度最小為lOOOOGauss，螺線管所形成的弱均勻引導磁場的磁場強度最大為IOGauss。
[0009]所述螺線管包括過渡區和漂移區，漂移區長度為2.8?3.2m，漂移區的半徑為
2.8?3.2cm ;所述過渡區的長度為4.8?5.2cm。
[0010]所述磁鐵複合元件由柱形磁鐵和圓錐形磁極靴組成，圓錐形磁極靴的錐頂朝向螺線管。
[0011]所述柱形磁鐵為NdFeB磁鐵,其底半徑R=12.7mm,厚度h=25.4mm ;所述圓錐形磁極靴為鐵鈷系高磁導率珀明德合金，其底半徑A=R,頂半徑r2=lmm，側邊與中垂線之間的夾角Θ =45°。
[0012]本實用新型具有的優點為:
[0013]1.本實用新型能將帶電粒子飛行時間能譜儀能量解析度、能量探測量程與帶電粒子收集效率三個主要性能之間的負向制約影響減小到最低，為系統綜合性能的提升提供了可能。
[0014]2.帶電粒子收集效率高。在磁鏡效應磁場設計合理的情況下，本實用新型的收集效率將在50%?100%範圍內。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀結構示意圖；
[0016]圖2為帶電粒子飛行時間能譜儀中磁場分布示意圖；
[0017]圖3為磁鏡效應非均勻磁場對電子的約束準直效應圖；
[0018]圖4為釹磁鐵NdFeB軸上磁場；
[0019]圖5為磁極靴結構示意圖；
[0020]圖6為磁極靴的聚磁效果圖；
[0021]圖7為螺線管軸上磁場圖；
[0022]圖8為D=IOcm時設計磁場系統的軸上磁場分布圖；[0023]圖9為D=5cm時設計磁場系統的軸上磁場分布圖；
[0024]圖10為複合磁場系統過渡區非均勻磁場變化的絕熱參數Xb ;
[0025]圖11為本實用新型實施例的結構尺寸圖；
[0026]圖12為本實用新型系統的理論能量解析度Λ ε。
[0027]附圖明細如下:
[0028]1-磁鐵複合元件；2_螺線管；3_磁屏蔽層；4_拒斥場腔；5_帶電粒子源；6_探測器。
【具體實施方式】
[0029]本實用新型提出的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀如圖1所示。其中磁鐵及磁極靴複合元件產生形成磁鏡效應的強非均勻磁場，螺線管用以產生均勻的弱引導磁場，磁屏蔽層用以屏蔽外界磁場對能譜儀系統內部磁場的影響，拒斥場腔用以產生軸向拒斥場而降低帶電粒子的軸向漂移能量。
[0030]其工作原理為:利用磁鏡效應中非均勻磁場對電子的約束準直效應，使強磁場區域產生的帶電粒子(如電子)在強弱磁場的過渡區域得到準直並經弱均勻磁場的引導最終由MCP探測器探測接收，由MCP記錄的帶電粒子飛行時間信息t即可反演出帶電粒子的初始能量信息。
[0031]具體地講，上述原理主要包括:帶電粒子能量重建和磁場系統的設計:
[0032]( I)帶電粒子能量重建
[0033]能譜儀系統內部的磁場分布示意如圖2所示，磁鏡效應中非均勻磁場對帶電粒子的聚焦約束作用如圖3所示。對於一在強磁場區域產生的電子，假設發射角度及初始動能分別為91與ε=π^2/2，則電子將在洛倫茨力的作用下作螺旋運動，其徑向圓周運動的頻率及半徑分別為:
[0034]
【權利要求】
1.一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，其特徵在於:包括用於形成磁鏡效應的強非均勻磁場的磁鐵複合元件，用於產生均勻弱引導磁場的螺線管，強非均勻磁場和均勻弱引導磁場的磁場方向單調；所述螺線管外側設置有於屏蔽外界磁場對能譜儀系統內部磁場影響的磁屏蔽層，螺線管內腔中部設置有用於產生軸向拒斥場而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場腔，螺線管內腔頂部設置有用於接收帶電粒子的探測器。
2.根據權利要求1所述的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，其特徵在於:所述磁鐵複合元件所形成的強非均勻磁場的磁場強度最小為lOOOOGauss，螺線管所形成的弱均勻弓I導磁場的磁場強度最大為IOGauss。
3.根據權利要求1所述的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，其特徵在於:所述螺線管包括過渡區和漂移區，漂移區長度為2.8?3.2m，漂移區的半徑為2.8?3.2cm ;所述過渡區的長度為4.8?5.2cm。
4.根據權利要求1至3任一所述的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，其特徵在於:所述磁鐵複合元件由柱形磁鐵和圓錐形磁極靴組成，圓錐形磁極靴的錐頂朝向螺線管。
5.根據權利要求4所述的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，其特徵在於:所述柱形磁鐵為NdFeB磁鐵,其底半徑R=12.7mm,厚度h=25.4mm ;所述圓錐形磁極靴為鐵鈷系高磁導率拍明德合金，其底半徑T1=R,頂半徑r2=lmm,側邊與中垂線之間的夾角Θ =45°。
【文檔編號】H01J49/20GK203690255SQ201320880887
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】王超, 田進壽, 趙衛, 白永林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所