一種非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)目前帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀在其三個(gè)主要性能—能量分辨率、能量探測(cè)量程以及帶電粒子收集效率—綜合提升方面的瓶頸，提出了一種基于磁鏡效應(yīng)的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀設(shè)計(jì)方案，旨在利用磁鏡效應(yīng)對(duì)帶電粒子的聚焦約束作用以顯著提高系統(tǒng)的粒子收集效率，從而削弱帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀三個(gè)性能參數(shù)之間的負(fù)向耦合制約影響，最終實(shí)現(xiàn)提高帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀整體性能的目的。本發(fā)明帶電粒子收集效率高。在磁鏡效應(yīng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)合理的情況下，收集效率將在50%～100%范圍內(nèi)。
【專利說明】一種非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，屬于帶電粒子探測(cè)分析【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行時(shí)間(Time-0f-Flight，T0F)是帶電粒子光學(xué)中一個(gè)非常重要的概念，在帶電粒子分析器中，常利用飛行時(shí)間的差異來區(qū)分并選擇具有不同參量(如質(zhì)量、動(dòng)量或能量)的帶電粒子，此即為飛行時(shí)間譜儀。帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀主要的性能參數(shù)有能量分辨率、能量探測(cè)量程和粒子收集效率。
[0003]根據(jù)已有的能譜儀能量分辨率基本理論可知，系統(tǒng)能量分辨率的提高可最終歸結(jié)為最基本的方法:增加帶電粒子的有效飛行時(shí)間。對(duì)此，國(guó)際上常用的兩種方法為:增加帶電粒子的有效飛行長(zhǎng)度；降低待測(cè)電子的能量。對(duì)于第一種方法，其最簡(jiǎn)單的實(shí)施方法是直接增加能譜儀系統(tǒng)管子的長(zhǎng)度。但在實(shí)際應(yīng)用中管子長(zhǎng)度的增加總是受到多種因素的限制，比如管子內(nèi)部的真空度以及實(shí)驗(yàn)室空間的限制等。同時(shí)，管子長(zhǎng)度的增加必將導(dǎo)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(guó)際上普遍采用更為有效的方法一采用特殊的元件等結(jié)構(gòu)設(shè)置以在保持管子長(zhǎng)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(zhuǎn)式飛行時(shí)間能譜儀系統(tǒng)。第二種方法可通過在系統(tǒng)中引入拒斥場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)，其缺陷是拒斥場(chǎng)的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能量探測(cè)量程與帶電粒子收集效率的縮小。對(duì)此國(guó)際上普遍通過引入電場(chǎng)或者磁場(chǎng)或者同時(shí)引入電場(chǎng)和磁場(chǎng)的辦法以達(dá)到同時(shí)優(yōu)化能譜儀的能量分辨率、能量探測(cè)量程以及帶電粒子收集效率參數(shù)的目的，比如已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的雙色電場(chǎng)式飛行時(shí)間譜儀(帶電粒子在電場(chǎng)中的加速度不同)或者雙色電磁場(chǎng)式飛行時(shí)間譜儀(同時(shí)引入電場(chǎng)和磁場(chǎng))。在采用以上優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，目前存在的帶電粒子飛行時(shí)間動(dòng)量能量譜儀雖然能在一定的使用范圍內(nèi)滿足實(shí)際工程的要求，但是由其工作原理所決定的在系統(tǒng)總體性能提高方面的瓶頸始終存在著。
[0004]現(xiàn)有的飛行時(shí)間動(dòng)量能量譜儀從本質(zhì)上講都可歸結(jié)為單向式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可分解為軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，其中軸向運(yùn)動(dòng)決定著帶電粒子的有效飛行時(shí)間信息。如此結(jié)構(gòu)上的設(shè)置使得這樣的情況成為必然:在能夠被探測(cè)器接收的既定條件下，不同初始狀態(tài)(包括初始能量Si與初始發(fā)射角Gi)的帶電粒子在被探測(cè)器接收之前都經(jīng)歷了相同的有效軸向距離。因而在這樣的系統(tǒng)中，軸向速度小的電子具有較大的飛行時(shí)間，這直接意味著系統(tǒng)對(duì)具有較大初始發(fā)射角的帶電粒子具備相對(duì)較高的能量分辨率；而在實(shí)際的工程應(yīng)用系統(tǒng)中，顯然只有較小初始發(fā)射角的帶電粒子才有較大的收集幾率。同時(shí)，系統(tǒng)能量分辨率隨著待測(cè)帶電粒子能量的增加而急劇惡化，這常常成為限制系統(tǒng)能量探測(cè)量程的一個(gè)重要因素。概括地說，表征帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀的三個(gè)主要性能參數(shù)之間存在著耦合的負(fù)向影響關(guān)系:一個(gè)性能參數(shù)的優(yōu)化往往意味著另一個(gè)性能的降低。這使得在當(dāng)前的新型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀設(shè)計(jì)方面，必須在能量分辨率、能量探測(cè)量程與帶電粒子收集效率三個(gè)主要參數(shù)之間找到一個(gè)相對(duì)較好的平衡點(diǎn)，也即將這種負(fù)向制約影響減小到最低的設(shè)計(jì)方案，從而提升系統(tǒng)的綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)目前帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀在其三個(gè)主要性能一能量分辨率、能量探測(cè)量程以及帶電粒子收集效率一綜合提升方面的瓶頸，本發(fā)明提出了一種基于磁鏡效應(yīng)的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀設(shè)計(jì)方案，旨在利用磁鏡效應(yīng)對(duì)帶電粒子的聚焦約束作用以顯著提高系統(tǒng)的粒子收集效率，從而削弱帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀三個(gè)性能參數(shù)之間的負(fù)向耦合制約影響，最終實(shí)現(xiàn)提高帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀整體性能的目的。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下:
[0007]該非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，包括用于形成磁鏡效應(yīng)的強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)的磁鐵復(fù)合元件，用于產(chǎn)生均勻弱引導(dǎo)磁場(chǎng)的螺線管，強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)和均勻弱引導(dǎo)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向單調(diào)；所述螺線管外側(cè)設(shè)置有于屏蔽外界磁場(chǎng)對(duì)能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部磁場(chǎng)影響的磁屏蔽層，螺線管內(nèi)腔中部設(shè)置有用于產(chǎn)生軸向拒斥場(chǎng)而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場(chǎng)腔，螺線管內(nèi)腔頂部設(shè)置有用于接收帶電粒子的探測(cè)器。
[0008]所述磁鐵復(fù)合元件所形成的強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小為lOOOOGauss，螺線管所形成的弱均勻引導(dǎo)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大為IOGauss。
[0009]所述螺線管包括過渡區(qū)和漂移區(qū)，漂移區(qū)長(zhǎng)度為2.8?3.2m，漂移區(qū)的半徑為
2.8?3.2cm ;所述過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4.8?5.2cm。
[0010]所述磁鐵復(fù)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(dǎo)率珀明德合金，其底半徑A=R,頂半徑r2=lmm，側(cè)邊與中垂線之間的夾角0=45。。
[0012]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)為:
[0013]1.本發(fā)明能將帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀能量分辨率、能量探測(cè)量程與帶電粒子收集效率三個(gè)主要性能之間的負(fù)向制約影響減小到最低，為系統(tǒng)綜合性能的提升提供了可倉(cāng)泛。
[0014]2.帶電粒子收集效率高。在磁鏡效應(yīng)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)合理的情況下，本發(fā)明的收集效率將在50%?100%范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀中磁場(chǎng)分布示意圖；
[0017]圖3為磁鏡效應(yīng)非均勻磁場(chǎng)對(duì)電子的約束準(zhǔn)直效應(yīng)圖；
[0018]圖4為釹磁鐵NdFeB軸上磁場(chǎng)；
[0019]圖5為磁極靴結(jié)構(gòu)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(chǎng)圖；
[0022]圖8為D=IOcm時(shí)設(shè)計(jì)磁場(chǎng)系統(tǒng)的軸上磁場(chǎng)分布圖；[0023]圖9為D=5cm時(shí)設(shè)計(jì)磁場(chǎng)系統(tǒng)的軸上磁場(chǎng)分布圖；
[0024]圖10為復(fù)合磁場(chǎng)系統(tǒng)過渡區(qū)非均勻磁場(chǎng)變化的絕熱參數(shù)Xb ;
[0025]圖11為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)尺寸圖；
[0026]圖12為本發(fā)明系統(tǒng)的理論能量分辨率Λ ε。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明提出的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀如圖1所示。其中磁鐵及磁極靴復(fù)合元件產(chǎn)生形成磁鏡效應(yīng)的強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)，螺線管用以產(chǎn)生均勻的弱引導(dǎo)磁場(chǎng)，磁屏蔽層用以屏蔽外界磁場(chǎng)對(duì)能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部磁場(chǎng)的影響，拒斥場(chǎng)腔用以產(chǎn)生軸向拒斥場(chǎng)而降低帶電粒子的軸向漂移能量。
[0028]其工作原理為:利用磁鏡效應(yīng)中非均勻磁場(chǎng)對(duì)電子的約束準(zhǔn)直效應(yīng)，使強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生的帶電粒子(如電子)在強(qiáng)弱磁場(chǎng)的過渡區(qū)域得到準(zhǔn)直并經(jīng)弱均勻磁場(chǎng)的引導(dǎo)最終由MCP探測(cè)器探測(cè)接收，由MCP記錄的帶電粒子飛行時(shí)間信息t即可反演出帶電粒子的初始能量信息。
[0029]具體地講，上述原理主要包括:帶電粒子能量重建和磁場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì):
[0030]( I)帶電粒子能量重建
[0031]能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布示意如圖2所示，磁鏡效應(yīng)中非均勻磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的聚焦約束作用如圖3所示。對(duì)于一在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生的電子，假設(shè)發(fā)射角度及初始動(dòng)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(yùn)動(dòng)，其徑向圓周運(yùn)動(dòng)的頻率及半徑分別為:
[0032]a)i =——β?，( I )
'?sin,丫、
[0033]=-.1 I)

COi
[0034]這里，e與me分別為電子的電量及靜止質(zhì)量，Θ i為電子的初速度矢量與能譜儀對(duì)稱軸的夾角。同時(shí)，電子做圓周運(yùn)動(dòng)所具有的角動(dòng)量也可如下給出，
, m 'V2 sin2 O
[0035]Ii = —-L.(3)

eB,
[0036]在電子做螺旋運(yùn)動(dòng)由強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域向弱磁場(chǎng)區(qū)域行進(jìn)的過程中，如果磁場(chǎng)的變化滿足絕熱近似的條件，則電子的運(yùn)動(dòng)滿足角動(dòng)量守恒定律。根據(jù)式(3)知，在強(qiáng)度為Bf的弱場(chǎng)區(qū)域有
sin -6?; sin-沒,
[0037]—-~?.⑷
Β? β!
[0038]這意味著磁場(chǎng)的減弱將直接導(dǎo)致電子與系統(tǒng)對(duì)稱軸夾角的減小，此即非均勻磁場(chǎng)對(duì)其中運(yùn)動(dòng)電子的約束準(zhǔn)直效應(yīng)。例如，對(duì)于θ /2的電子，如果磁場(chǎng)的變化滿足Bf/Bi=IOA則電子在弱磁場(chǎng)區(qū)域?qū)缀醯玫酵耆臏?zhǔn)直
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，其特征在于:包括用于形成磁鏡效應(yīng)的強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)的磁鐵復(fù)合元件，用于產(chǎn)生均勻弱引導(dǎo)磁場(chǎng)的螺線管，強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)和均勻弱引導(dǎo)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向單調(diào)；所述螺線管外側(cè)設(shè)置有于屏蔽外界磁場(chǎng)對(duì)能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部磁場(chǎng)影響的磁屏蔽層，螺線管內(nèi)腔中部設(shè)置有用于產(chǎn)生軸向拒斥場(chǎng)而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場(chǎng)腔，螺線管內(nèi)腔頂部設(shè)置有用于接收帶電粒子的探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，其特征在于:所述磁鐵復(fù)合元件所形成的強(qiáng)非均勻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小為lOOOOGauss，螺線管所形成的弱均勻弓I導(dǎo)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大為IOGauss。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，其特征在于:所述螺線管包括過渡區(qū)和漂移區(qū)，漂移區(qū)長(zhǎng)度為2.8?3.2m，漂移區(qū)的半徑為2.8?3.2cm ;所述過渡區(qū)的長(zhǎng)度為4.8?5.2cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，其特征在于:所述磁鐵復(fù)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(jù)權(quán)利要求4所述的非均勻磁場(chǎng)聚焦型帶電粒子飛行時(shí)間能譜儀，其特征在于: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(dǎo)率拍明德合金，其底半徑T1=R,頂半徑r2=lmm,側(cè)邊與中垂線之間的夾角0=45°。
【文檔編號(hào)】H01J49/40GK103715055SQ201310742763
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】王超, 田進(jìn)壽, 趙衛(wèi), 白永林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所