[发明专利]一种非均匀磁场聚焦型带电粒子飞行时间能谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种非均匀磁场聚焦型带电粒子飞行时间能谱仪，属于带电粒子探测分析技术领域。

背景技术

飞行时间（Time-Of-Flight，TOF）是带电粒子光学中一个非常重要的概念，在带电粒子分析器中，常利用飞行时间的差异来区分并选择具有不同参量（如质量、动量或能量）的带电粒子，此即为飞行时间谱仪。带电粒子飞行时间能谱仪主要的性能参数有能量分辨率、能量探测量程和粒子收集效率。

根据已有的能谱仪能量分辨率基本理论可知，系统能量分辨率的提高可最终归结为最基本的方法：增加带电粒子的有效飞行时间。对此，国际上常用的两种方法为：增加带电粒子的有效飞行长度；降低待测电子的能量。对于第一种方法，其最简单的实施方法是直接增加能谱仪系统管子的长度。但在实际应用中管子长度的增加总是受到多种因素的限制，比如管子内部的真空度以及实验室空间的限制等。同时，管子长度的增加必将导致带电粒子接收角的减小而最终降低其收集效率。这些限制因素使得国际上普遍采用更为有效的方法—采用特殊的元件等结构设置以在保持管子长度不变的情况下，间接地增加带电粒子的有效飞行距离，比如直线反射式或弧线偏转式飞行时间能谱仪系统。第二种方法可通过在系统中引入拒斥场来实现，其缺陷是拒斥场的存在会导致系统能量探测量程与带电粒子收集效率的缩小。对此国际上普遍通过引入电场或者磁场或者同时引入电场和磁场的办法以达到同时优化能谱仪的能量分辨率、能量探测量程以及带电粒子收集效率参数的目的，比如已经得到广泛应用的双色电场式飞行时间谱仪（带电粒子在电场中的加速度不同）或者双色电磁场式飞行时间谱仪（同时引入电场和磁场）。在采用以上优化方法的基础上，目前存在的带电粒子飞行时间动量能量谱仪虽然能在一定的使用范围内满足实际工程的要求，但是由其工作原理所决定的在系统总体性能提高方面的瓶颈始终存在着。

现有的飞行时间动量能量谱仪从本质上讲都可归结为单向式结构，系统中带电粒子的运动可分解为轴向运动和径向运动，其中轴向运动决定着带电粒子的有效飞行时间信息。如此结构上的设置使得这样的情况成为必然：在能够被探测器接收的既定条件下，不同初始状态（包括初始能量ε_i与初始发射角θ_i）的带电粒子在被探测器接收之前都经历了相同的有效轴向距离。因而在这样的系统中，轴向速度小的电子具有较大的飞行时间，这直接意味着系统对具有较大初始发射角的带电粒子具备相对较高的能量分辨率；而在实际的工程应用系统中，显然只有较小初始发射角的带电粒子才有较大的收集几率。同时，系统能量分辨率随着待测带电粒子能量的增加而急剧恶化，这常常成为限制系统能量探测量程的一个重要因素。概括地说，表征带电粒子飞行时间能谱仪的三个主要性能参数之间存在着耦合的负向影响关系：一个性能参数的优化往往意味着另一个性能的降低。这使得在当前的新型带电粒子飞行时间能谱仪设计方面，必须在能量分辨率、能量探测量程与带电粒子收集效率三个主要参数之间找到一个相对较好的平衡点，也即将这种负向制约影响减小到最低的设计方案，从而提升系统的综合性能。

发明内容

针对目前带电粒子飞行时间能谱仪在其三个主要性能—能量分辨率、能量探测量程以及带电粒子收集效率—综合提升方面的瓶颈，本发明提出了一种基于磁镜效应的非均匀磁场聚焦型带电粒子飞行时间能谱仪设计方案，旨在利用磁镜效应对带电粒子的聚焦约束作用以显著提高系统的粒子收集效率，从而削弱带电粒子飞行时间能谱仪三个性能参数之间的负向耦合制约影响，最终实现提高带电粒子飞行时间能谱仪整体性能的目的。

本发明的具体技术解决方案如下：

该非均匀磁场聚焦型带电粒子飞行时间能谱仪，包括用于形成磁镜效应的强非均匀磁场的磁铁复合元件，用于产生均匀弱引导磁场的螺线管，强非均匀磁场和均匀弱引导磁场的磁场方向单调；所述螺线管外侧设置有于屏蔽外界磁场对能谱仪系统内部磁场影响的磁屏蔽层，螺线管内腔中部设置有用于产生轴向拒斥场而降低带电粒子的轴向漂移能量的拒斥场腔，螺线管内腔顶部设置有用于接收带电粒子的探测器。

所述磁铁复合元件所形成的强非均匀磁场的磁场强度最小为10000Gauss，螺线管所形成的弱均匀引导磁场的磁场强度最大为10Gauss。

所述螺线管包括过渡区和漂移区，漂移区长度为2.8～3.2m，漂移区的半径为2.8～3.2cm；所述过渡区的长度为4.8～5.2cm。

所述磁铁复合元件由柱形磁铁和圆锥形磁极靴组成，圆锥形磁极靴的锥顶朝向螺线管。