[实用新型]一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及等离子体物理和核探测领域，具体地讲，是涉及一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。

背景技术

在强场激光等离子体物理研究以及惯性约束聚变研究中，激光与靶相互作用产生的离子种类和能谱是关系实验物理过程的一个关键参数。传统用于离子种类及能谱诊断的设备为汤姆逊离子谱仪。其电场方向与磁场方向平行。假设离子入射方向为Z方向，磁场方向为X方向，垂直磁场方向及离子入射方向为Y方向。入射离子通过准直孔进入汤姆逊谱仪，同时受到X方向的电场加速和Y方向的磁场偏转，在电场方向做加速运动，在磁场方向做圆周运动。在穿出谱仪的磁场和电场区域后，不再受到磁场和电场作用，以穿出电、磁场时的速度和方位做匀速直线运动。

随着激光技术的发展以及激光质子加速技术的深入研究，实验上可以产生高达几十甚至上百MeV的高能质子及其它离子。因此需要更高能量诊断范围的汤姆逊离子谱仪。目前常用的汤姆逊离子谱仪其磁场是由两块相互平行的磁铁产生的二极磁场。磁铁的磁场强度越大所需要的轭铁就越厚，谱仪的体积和质量也会成倍增加。要实现100MeV以上能谱诊断，且能谱分辨小于5% ，需要气隙4cm、材料为NdFeB的磁铁长20cm，磁场峰值强度为0.91T。为了产生这样的强磁场，需要磁铁尺寸为280mm*280mm*220mm(长*宽*高)，质量超过100公斤。这种汤姆逊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。

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，常见的汤姆逊离子谱仪的二极磁铁结构，通常是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。

实用新型内容

为克服现有技术中的上述磁场强度与体积的矛盾关系问题，本实用新型提供设计巧妙、结构简单的一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于Halbach二极磁铁的汤姆逊离子谱仪，包括准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁、Halbach二极磁铁、电极板、两根电源线、成像板、装配内壳和装配外壳；

所述准直圆盘中心带有准直通孔；

所述锥形磁场屏蔽铁内部开有锥形通孔，其锥形小端和锥形通孔的锥形小端在同一侧；

所述Halbach二极磁铁为由八瓣不同极化方向的永磁铁形成的带柱状通孔的圆柱体；该八瓣不同极化方向的永磁铁均为弧度为45°柱状体；

所述电极板由两块“凸”字型金属板构成；两块金属板之间呈一定夹角；两块金属板前端之间的距离小于其后端之间的距离；两块金属板的前端设置在Halbach二极磁铁的柱状通孔的内部，并且，与Halbach二极磁铁的前端齐平，其后端分别连接两根电源线；

所述锥形磁场屏蔽铁的锥形小端和准直圆盘紧贴在一起，其另一端和Halbach二极磁铁的一个底面紧贴在一起；锥形磁场屏蔽铁的中心轴线、准直圆盘的中心轴线以及Halbach二极磁铁的中心轴线重合；锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径与准直圆盘的直径相等，其另一端的直径和Halbach二极磁铁的底面的直径相等，其锥形通孔的直径大于准直圆盘的准直通孔的直径，其另一端的通孔的直径与Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径相等；

所述装配内壳包裹住Halbach二极磁铁的圆柱面；装配外壳前端呈锥状，其后端呈圆柱体状；该装配外壳紧密包裹住准直圆盘、锥形磁场屏蔽铁和装配内壳，其后端与两块金属板的后端齐平；

所述成像板设置在两个金属板之间，其与Halbach二极磁铁的中心轴线成一定角度，并且，其与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行。

具体地，两块金属板的其中一块金属板平行于Halbach二极磁铁的中心轴线，其法向与Halbach二极磁铁的柱状通孔中的磁场方向平行；另一块金属板与Halbach二极磁铁的中心轴线呈一定夹角。

具体地，锥形磁场屏蔽铁的锥形小端的直径为其另一端的直径的一半；锥形磁场屏蔽铁的厚度为Halbach二极磁铁的柱状通孔的直径的四分之三。

具体地，成像板呈矩形。