[发明专利]基于锥筒形磁铁的质子磁谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体物理和核探测领域，具体涉及的是一种基于锥筒形磁铁的质子磁谱仪。

背景技术

带电粒子在磁场中运动时，与磁场垂直的方向上如果有速度分量，则将受到洛伦兹力，使得带电粒子的运动方向发生改变。而当磁场垂直于运动方向时，带电粒子将做圆周运动，并且能量越低的粒子运动的圆周半径越大，如此一来，通过分析圆周的半径大小即可得到粒子能量大小。人们通常将产生磁场的装置称为磁谱仪。

根据电动力学理论，每个永磁铁所具有的静磁场能是一定的，如果将这些能量束缚在更小的空间内，将得到更强的磁场强度。常见的磁谱仪利用轭铁将磁场束缚在轭铁和永磁铁之间的气隙中，由于轭铁相对磁导率在103量级，永磁铁和空气相对磁导率在100量级，导致大部分磁场能量集中在轭铁中，气隙间的磁场强度常常只有永磁铁剩磁的一半，甚至更低。要得到更强的磁场需要增加轭铁厚度、减小气隙，导致磁铁体积增加，且有效的磁场空间会更小。

垂直于磁场运动的带电粒子的半径R=p/qB，即粒子的偏转半径由动量和电荷量的比值决定。由于质子的静止质量远大于电子的静止质量，因此质子磁谱仪所需要的磁场强度要大于电子磁谱仪。磁场强度越大，所需要的轭铁就越厚，磁谱仪的体积和质量也会成倍增加。一般用于测量1-5MeV的质子所用的磁谱仪其磁场强度在0.6T左右，尺寸为140mm*80mm*60mm(长*宽*高)，质量5公斤左右。这种磁谱仪体积和质量都比较大，在瞄准时移动不便，在特定条件下体积过大甚至会成为无法克服的缺点。

在激光惯性约束核聚变中，质子能谱对分析聚变靶丸的内爆过程有着重要作用。国内现有的专用于激光惯性约束核聚变装置的激光路数为8路（SGII），48路（SGIII），实验中，这些激光同时轰击靶丸（间接驱动激光轰击高Z黑腔，将激光能量转化为X光再馈入到靶丸中），由此将激光能量均匀地馈入靶丸中。这类实验涉及范围广，实验难度大，诊断也有诸多困难。由于激光路数多，采用现有的磁谱仪，因其横截面大（80mm*60mm）,磁谱仪至少距离靶丸100mm以上，否则会挡住激光光路，大大限制了靶丸到磁谱仪狭缝的立体角，导致进入磁谱仪内的质子仅占总产额的万分之三左右，在低质子产额的实验中难以采集到有效的质子信号。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于锥筒形磁铁的质子磁谱仪，可以很好地解决质子磁谱仪中磁场强度与体积之间的矛盾。

为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：

基于锥筒形磁铁的质子磁谱仪，包括准直狭缝、锥筒形磁体装置和CR39介质，其中：

准直狭缝，用于通入质子，并过滤掉水平发散角较大的质子；

锥筒形磁体装置，包括外壳和内壳，以及固定在外壳与内壳之间、并且呈放射状分布的永磁铁；所有的永磁铁所包围的空间形成一个可使过滤后的质子运动方向发生偏转的磁场回路；

CR39介质，用于记录偏转后的质子信号，得到质子的能谱信息。

进一步地，所述锥筒形磁体装置的质子入口处的外径为出口处的外径为2/5，且锥筒形磁体装置锥筒各处的内外径之比为1/2；同时，锥筒形磁体装置的中心轴长为60～100mm。

具体地说，所述永磁铁的数量为八瓣，且所有磁铁各自的磁极化方向依次为90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°、0°。

作为优选，所述永磁铁为钕铁硼磁铁。

再进一步地，所述准直狭缝紧贴于锥筒形磁体装置的一侧。如此可保证进入锥筒形磁体装置内的质子的水平发散角小于10mrad，且水平坐标与磁铁水平中心偏差在0.25mm以内。

更进一步地，所述准直狭缝的狭缝宽度为0.5mm，长度为16～18mm。

作为优选，所述CR39介质与锥筒形磁体装置的距离为80～120mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明结构合理、设计巧妙、使用方便。

（2）本发明通过设计锥筒形磁体装置，在结合准直狭缝和CR39介质后，可以有效过滤水平发散角较大的质子，并使质子运动方向发生偏转后获得质子的信号，从而反推出质子能谱信息。本发明不仅体积小巧（仅为普通质子磁谱仪体积的1/2，且不需要高密度的轭铁）、质量更轻（仅为普通磁谱仪的40%左右，便于安装和移动），而且在激光聚变实验中可以离靶更近的同时不妨碍激光的传输。根据计算，本发明的磁谱仪接收质子的效率约为现有磁谱仪的10倍。