[发明专利]基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪

说明书

本发明提供了一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，包括：电子准直装置、均匀磁场装置、薄膜闪烁体、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述电子准直装置、均匀磁场装置以及薄膜闪烁体设置在壳体内，且所述壳体在电子准直装置的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔用于辅助电子谱仪的位置调整。本发明中的电子谱仪是在传统的基于磁场偏转的电子谱仪基础上，结合了闪烁体的实时探测、塑料光纤的低噪声和灵活、面光纤阵列与探测器像面的良好匹配等优点，实现了简单、易操作的电子谱仪，本发明中的电子谱仪可以诊断和探测能量在0.98MeV到4.55MeV的电子，并可扩展到更高的能段，在激光等离子体物理中有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及电子谱仪技术领域，具体地，涉及基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪。

技术背景

自1985年G.Mourou等人提出啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)以来，激光的功率达到TW-PW量级，聚焦功率密度达到10²⁰W/cm²以上，如此超强的超短脉冲激光与物质相互作用将产生大量相对论能量电子，这些相对论电子的产生和输运是激光等离子体相互作用的很多过程的基础，是高能能量密度物理研究领域内一个基本的课题。因此测量这种相对论电子的能谱就显得极为重要。

电子能谱一般是基于电子在磁场中偏转的原理来测量的。电子在磁场中受到洛伦兹力的作用进行偏转，不同能量的电子偏转的半径不同，会在空间上分开。电子在磁场中的偏转半径可表述为：

其中m,v,q分别表示电子的质量、速度和电量。γ表示相对论因子，B为磁场强度。在磁场内部不同位置放上诊断电子的探测器，就可以测量电子的能谱。

目前，最常用的电子谱仪探测器有成像板(Image Plate，IP)，薄膜闪烁体和闪烁体光纤。

IP成像板响应灵敏，电子束经过IP后会留下信号，因此它可以直接记录电子的数据，它的测量范围广，动态范围高。一般地，IP成像板被应用在低频率的激光等离子体实验中。这是因为IP是一种被动探测装置，需要破坏靶室真空取出并使用专门读出仪获取信号。同时，其信号会随时间逐渐消退，因此，不宜过长时间的放置。而且，再次使用需要曝光清除其中的残留信号。

闪烁体的工作机制是：当电子入射到闪烁体时，闪烁体会发射闪烁荧光，因此闪烁体可以把电子信号转换成可见光波段光信号。闪烁体可以在高重复频率下进行实时探测。闪烁体安置于需要测量的位置，电子入射到闪烁体时，发出的可见光经过透镜的收集并成像到sCMOS或CCD上。闪烁体通常是狭长的一窄条，因此只有一窄条的CCD或SCMOS像面被使用，这限制了电子谱仪的能量分辨率。同时，谱仪的整个成像光路系统还需要良好的屏蔽，整体结构比较复杂和臃肿。

闪烁体光纤跟闪烁体类似，都是把电子信号转换成可见光，同时也可以在高重复频率下工作。不同的是，闪烁体光纤是可弯曲的，闪烁体光纤的一端并排组成一列，与谱仪内磁场平行，闪烁体光纤的另一端组成一个面型阵列，这提高了CCD或sCMOS的像面利用率。但是因为闪烁体光纤对于电子的响应灵敏，对于其他一些高能粒子(质子、离子和中子等)和辐射(x-ray、γ-ray)也会有响应，因此需要加额外的屏蔽板。为避免闪烁体光纤引入的背景噪声，有些人把闪烁体光纤的长度缩短并把CCD耦合到电子谱仪的内部。但是，在激光等离子体物理试验中，实验过程会激发强的电磁脉冲，sCMOS或CCD在强电磁脉冲的环境中有损坏的危险。

通过以上分析，目前电子谱仪就应用的方便性上还有一些不足之处，基于此，我们设计了一款简单灵活，高重复频率的可实时探测的电子谱仪。