一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明針對目前帶電粒子飛行時間能譜儀在其三個主要性能—能量分辨率、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，提出了一種基于磁鏡效應(yīng)的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀設(shè)計方案，旨在利用磁鏡效應(yīng)對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間能譜儀三個性能參數(shù)之間的負向耦合制約影響，最終實現(xiàn)提高帶電粒子飛行時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)磁場設(shè)計合理的情況下，收集效率將在50%～100%范圍內(nèi)。
【專利說明】一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，屬于帶電粒子探測分析【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[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(qū)分并選擇具有不同參量(如質(zhì)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(shù)有能量分辨率、能量探測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。對于第一種方法，其最簡單的實施方法是直接增加能譜儀系統(tǒng)管子的長度。但在實際應(yīng)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(nèi)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)中引入拒斥場來實現(xiàn)，其缺陷是拒斥場的存在會導致系統(tǒng)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(yōu)化能譜儀的能量分辨率、能量探測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間動量能量譜儀雖然能在一定的使用范圍內(nèi)滿足實際工程的要求，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)有的飛行時間動量能量譜儀從本質(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(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間，這直接意味著系統(tǒng)對具有較大初始發(fā)射角的帶電粒子具備相對較高的能量分辨率；而在實際的工程應(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，系統(tǒng)能量分辨率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(tǒng)能量探測量程的一個重要因素。概括地說，表征帶電粒子飛行時間能譜儀的三個主要性能參數(shù)之間存在著耦合的負向影響關(guān)系:一個性能參數(shù)的優(yōu)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(shè)計方面，必須在能量分辨率、能量探測量程與帶電粒子收集效率三個主要參數(shù)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(shè)計方案，從而提升系統(tǒng)的綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)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分辨率、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，本發(fā)明提出了一種基于磁鏡效應(yīng)的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀設(shè)計方案，旨在利用磁鏡效應(yīng)對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間能譜儀三個性能參數(shù)之間的負向耦合制約影響，最終實現(xiàn)提高帶電粒子飛行時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]該非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，包括用于形成磁鏡效應(yīng)的強非均勻磁場的磁鐵復(fù)合元件，用于產(chǎn)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(diào)；所述螺線管外側(cè)設(shè)置有于屏蔽外界磁場對能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部磁場影響的磁屏蔽層，螺線管內(nèi)腔中部設(shè)置有用于產(chǎn)生軸向拒斥場而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場腔，螺線管內(nèi)腔頂部設(shè)置有用于接收帶電粒子的探測器。
[0008]所述磁鐵復(fù)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(qū)和漂移區(qū)，漂移區(qū)長度為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)點為:
[0013]1.本發(fā)明能將帶電粒子飛行時間能譜儀能量分辨率、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(tǒng)綜合性能的提升提供了可倉泛。
[0014]2.帶電粒子收集效率高。在磁鏡效應(yīng)磁場設(shè)計合理的情況下，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為非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀結(jié)構(gòu)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(yīng)非均勻磁場對電子的約束準直效應(yīng)圖；
[0018]圖4為釹磁鐵NdFeB軸上磁場；
[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為螺線管軸上磁場圖；
[0022]圖8為D=IOcm時設(shè)計磁場系統(tǒng)的軸上磁場分布圖；[0023]圖9為D=5cm時設(shè)計磁場系統(tǒng)的軸上磁場分布圖；
[0024]圖10為復(fù)合磁場系統(tǒng)過渡區(qū)非均勻磁場變化的絕熱參數(shù)Xb ;
[0025]圖11為本發(fā)明實施例的結(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。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明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。其中磁鐵及磁極靴復(fù)合元件產(chǎn)生形成磁鏡效應(yīng)的強非均勻磁場，螺線管用以產(chǎn)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(tǒng)內(nèi)部磁場的影響，拒斥場腔用以產(chǎn)生軸向拒斥場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)中非均勻磁場對電子的約束準直效應(yīng)，使強磁場區(qū)域產(chǎn)生的帶電粒子(如電子)在強弱磁場的過渡區(qū)域得到準直并經(jīng)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。
[0029]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(tǒng)的設(shè)計:
[0030]( I)帶電粒子能量重建
[0031]能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部的磁場分布示意如圖2所示，磁鏡效應(yīng)中非均勻磁場對帶電粒子的聚焦約束作用如圖3所示。對于一在強磁場區(qū)域產(chǎn)生的電子，假設(shè)發(fā)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:
[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稱軸的夾角。同時，電子做圓周運動所具有的角動量也可如下給出，
, m 'V2 sin2 O
[0035]Ii = —-L.(3)

eB,
[0036]在電子做螺旋運動由強磁場區(qū)域向弱磁場區(qū)域行進的過程中，如果磁場的變化滿足絕熱近似的條件，則電子的運動滿足角動量守恒定律。根據(jù)式(3)知，在強度為Bf的弱場區(qū)域有
sin -6?; sin-沒,
[0037]—-~?.⑷
Β? β!
[0038]這意味著磁場的減弱將直接導致電子與系統(tǒng)對稱軸夾角的減小，此即非均勻磁場對其中運動電子的約束準直效應(yīng)。例如，對于θ /2的電子，如果磁場的變化滿足Bf/Bi=IOA則電子在弱磁場區(qū)域?qū)缀醯玫酵耆臏手?br> [0039]
【權(quán)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，其特征在于:包括用于形成磁鏡效應(yīng)的強非均勻磁場的磁鐵復(fù)合元件，用于產(chǎn)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(diào)；所述螺線管外側(cè)設(shè)置有于屏蔽外界磁場對能譜儀系統(tǒng)內(nèi)部磁場影響的磁屏蔽層，螺線管內(nèi)腔中部設(shè)置有用于產(chǎn)生軸向拒斥場而降低帶電粒子的軸向漂移能量的拒斥場腔，螺線管內(nèi)腔頂部設(shè)置有用于接收帶電粒子的探測器。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征在于:所述磁鐵復(fù)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(jù)權(quán)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，其特征在于:所述螺線管包括過渡區(qū)和漂移區(qū)，漂移區(qū)長度為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聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，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所述的非均勻磁場聚焦型帶電粒子飛行時間能譜儀，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】H01J49/40GK103715055SQ201310742763
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】王超, 田進壽, 趙衛(wèi), 白永林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所