本發(fā)明涉及等離子體物理和核探測(cè)領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種基于halbach二極磁鐵的湯姆遜離子譜儀。

背景技術(shù)：

在強(qiáng)場(chǎng)激光等離子體物理研究以及慣性約束聚變研究中，激光與靶相互作用產(chǎn)生的離子種類(lèi)和能譜是關(guān)系實(shí)驗(yàn)物理過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)用于離子種類(lèi)及能譜診斷的設(shè)備為湯姆遜離子譜儀。其電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向平行。假設(shè)離子入射方向?yàn)閦方向，磁場(chǎng)方向?yàn)閤方向，垂直磁場(chǎng)方向及離子入射方向?yàn)閥方向。入射離子通過(guò)準(zhǔn)直孔進(jìn)入湯姆遜譜儀，同時(shí)受到x方向的電場(chǎng)加速和y方向的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，在電場(chǎng)方向做加速運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)方向做圓周運(yùn)動(dòng)。在穿出譜儀的磁場(chǎng)和電場(chǎng)區(qū)域后，不再受到磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用，以穿出電、磁場(chǎng)時(shí)的速度和方位做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展以及激光質(zhì)子加速技術(shù)的深入研究，實(shí)驗(yàn)上可以產(chǎn)生高達(dá)幾十甚至上百mev的高能質(zhì)子及其它離子。因此需要更高能量診斷范圍的湯姆遜離子譜儀。目前常用的湯姆遜離子譜儀其磁場(chǎng)是由兩塊相互平行的磁鐵產(chǎn)生的二極磁場(chǎng)。磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大所需要的軛鐵就越厚，譜儀的體積和質(zhì)量也會(huì)成倍增加。要實(shí)現(xiàn)100mev以上能譜診斷，且能譜分辨小于5%，需要?dú)庀?cm、材料為ndfeb的磁鐵長(zhǎng)20cm，磁場(chǎng)峰值強(qiáng)度為0.91t。為了產(chǎn)生這樣的強(qiáng)磁場(chǎng)，需要磁鐵尺寸為280mm*280mm*220mm(長(zhǎng)*寬*高)，質(zhì)量超過(guò)100公斤。這種湯姆遜譜儀體積和質(zhì)量都比較大，在瞄準(zhǔn)時(shí)移動(dòng)不便，在特定條件下體積過(guò)大甚至?xí)蔀闊o(wú)法克服的缺點(diǎn)。

根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，每個(gè)永磁鐵所具有的靜磁場(chǎng)能是一定的，如果將這些能量束縛在更小的空間內(nèi)，將得到更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，常見(jiàn)的湯姆遜離子譜儀的二極磁鐵結(jié)構(gòu)，通常是利用軛鐵將磁場(chǎng)束縛在軛鐵和永磁鐵之間的氣隙中，由于軛鐵相對(duì)磁導(dǎo)率在10³量級(jí)，永磁鐵和空氣相對(duì)磁導(dǎo)率在10⁰量級(jí)，導(dǎo)致大部分磁場(chǎng)能量集中在軛鐵中，氣隙間的磁場(chǎng)強(qiáng)度常常只有永磁鐵剩磁的一半，甚至更低。要得到更強(qiáng)的磁場(chǎng)需要增加軛鐵厚度、減小氣隙，導(dǎo)致磁鐵體積增加，且有效的磁場(chǎng)空間會(huì)更小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述磁場(chǎng)強(qiáng)度與體積的矛盾關(guān)系問(wèn)題，本發(fā)明提供設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一種基于halbach二極磁鐵的湯姆遜離子譜儀。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于halbach二極磁鐵的湯姆遜離子譜儀，包括準(zhǔn)直圓盤(pán)、錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵、halbach二極磁鐵、電極板、兩根電源線(xiàn)、成像板、裝配內(nèi)殼和裝配外殼；

所述準(zhǔn)直圓盤(pán)中心帶有準(zhǔn)直通孔；

所述錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵內(nèi)部開(kāi)有錐形通孔，其錐形小端和錐形通孔的錐形小端在同一側(cè)；

所述halbach二極磁鐵為由八瓣不同極化方向的永磁鐵形成的帶柱狀通孔的圓柱體；該八瓣不同極化方向的永磁鐵均為弧度為45°柱狀體；

所述電極板由兩塊“凸”字型金屬板構(gòu)成；兩塊金屬板之間呈一定夾角；兩塊金屬板前端之間的距離小于其后端之間的距離；兩塊金屬板的前端設(shè)置在halbach二極磁鐵的柱狀通孔的內(nèi)部，并且，與halbach二極磁鐵的前端齊平，其后端分別連接兩根電源線(xiàn)；

所述錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的錐形小端和準(zhǔn)直圓盤(pán)緊貼在一起，其另一端和halbach二極磁鐵的一個(gè)底面緊貼在一起；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的中心軸線(xiàn)、準(zhǔn)直圓盤(pán)的中心軸線(xiàn)以及halbach二極磁鐵的中心軸線(xiàn)重合；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的錐形小端的直徑與準(zhǔn)直圓盤(pán)的直徑相等，其另一端的直徑和halbach二極磁鐵的底面的直徑相等，其錐形通孔的直徑大于準(zhǔn)直圓盤(pán)的準(zhǔn)直通孔的直徑，其另一端的通孔的直徑與halbach二極磁鐵的柱狀通孔的直徑相等；

所述裝配內(nèi)殼包裹住halbach二極磁鐵的圓柱面；裝配外殼前端呈錐狀，其后端呈圓柱體狀；該裝配外殼緊密包裹住準(zhǔn)直圓盤(pán)、錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵和裝配內(nèi)殼，其后端與兩塊金屬板的后端齊平；

所述成像板設(shè)置在兩個(gè)金屬板之間，其與halbach二極磁鐵的中心軸線(xiàn)成一定角度，并且，其與halbach二極磁鐵的柱狀通孔中的磁場(chǎng)方向平行。

具體地，兩塊金屬板的其中一塊金屬板平行于halbach二極磁鐵的中心軸線(xiàn)，其法向與halbach二極磁鐵的柱狀通孔中的磁場(chǎng)方向平行；另一塊金屬板與halbach二極磁鐵的中心軸線(xiàn)呈一定夾角。

具體地，錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的錐形小端的直徑為其另一端的直徑的一半；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的厚度為halbach二極磁鐵的柱狀通孔的直徑的四分之三。

具體地，成像板呈矩形。

具體地，halbach二極磁鐵的圓柱體的直徑與柱狀通孔的直徑之比為2.5，其圓柱體的高度與柱狀通孔的直徑之比為2。

具體地，兩塊金屬板的前端的寬度為halbach二極磁鐵的柱狀通孔的直徑的三分之二。

具體地，該裝配內(nèi)殼和該裝配外殼均為非磁性材料。

具體地，該裝配內(nèi)殼和裝配外殼均為鋁；準(zhǔn)直圓盤(pán)為鉭；halbach二極磁鐵為ndfeb48。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明中的湯姆遜離子譜儀占用的空間更小，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更高。

（2）本發(fā)明中在halbach二極磁鐵前設(shè)計(jì)了一個(gè)錐形磁鐵屏蔽鐵，在一定長(zhǎng)寬比情況下，可以有效屏蔽掉外部磁場(chǎng)，同時(shí)減小內(nèi)部磁場(chǎng)損失。

（3）本發(fā)明中兩塊金屬板具有一定的夾角，可以在產(chǎn)生足夠高電場(chǎng)的條件下保證離子能夠?qū)崿F(xiàn)足夠大的偏轉(zhuǎn)而不碰到電極板上。

（4）本發(fā)明的基于halbach二極磁鐵的湯姆遜離子譜儀在相同體積下，可以實(shí)現(xiàn)比常規(guī)湯姆遜譜儀高3倍的能量診斷。實(shí)現(xiàn)質(zhì)子能譜診斷范圍為1mev-100mev，且在100mev能量附近能譜分辨小于5%。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的第一剖面圖。

圖2為本發(fā)明的第二剖面圖。

圖3為本發(fā)明中電極板的示意圖。

圖4為本發(fā)明中halbach二極磁鐵和錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中halbach二極磁鐵的每瓣磁鐵的磁化方向與柱狀通孔內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1—準(zhǔn)直圓盤(pán)，2—準(zhǔn)直通孔，3—錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵，4—halbach二極磁鐵，5—裝配內(nèi)殼，6—裝配外殼，7—電極板，8—成像板，9—電源線(xiàn)。

專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)?/p>

成像板：用于離子信號(hào)記錄，通過(guò)分析成像板上離子信號(hào)分布可以反推出離子的能譜；也叫ip板（imagingplate）。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。

實(shí)施例

如圖1至圖5所示，一種基于halbach二極磁鐵4的湯姆遜離子譜儀，包括準(zhǔn)直圓盤(pán)1、錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3、halbach二極磁鐵4、電極板7、兩根電源線(xiàn)9、成像板8、裝配內(nèi)殼5和裝配外殼6；

準(zhǔn)直圓盤(pán)1中心帶有準(zhǔn)直通孔2；準(zhǔn)直通孔2用于限制進(jìn)入湯姆遜離子譜儀的離子束斑，從而確定離子能譜診斷的譜分辨；所述準(zhǔn)直圓盤(pán)1的厚度為4mm~8mm，其準(zhǔn)直通孔2直徑為100um~200um。

錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3內(nèi)部開(kāi)有錐形通孔，其錐形小端和錐形通孔的錐形小端在同一側(cè)；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3用于屏蔽halbach二極磁鐵4外的磁場(chǎng)，保證離子在進(jìn)入halbach二極磁鐵4前受到盡量少的偏轉(zhuǎn)；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵大端端面直徑為100mm，其通孔直徑為40mm；所述錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵小端端面直徑為50mm，其通孔直徑為20mm；所述錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵厚度為30mm。

halbach二極磁鐵4為由八瓣不同極化方向的永磁鐵形成的帶柱狀通孔的圓柱體；該八瓣不同極化方向的永磁鐵均為弧度為45°柱狀體；halbach二極磁鐵4用以產(chǎn)生高強(qiáng)度、分布均勻的磁場(chǎng)，使得離子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)；所述的halbach二極磁鐵4的8瓣不同磁極化方向的永磁鐵的磁極化方向分別為90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°、0°。磁鐵材料為ndfeb48。halbach二極磁鐵4的外直徑100mm，長(zhǎng)度80mm。可以產(chǎn)生軸上峰值強(qiáng)度1t的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)使得離子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)相同角度需要更高能量的質(zhì)子，從而提高質(zhì)子能量診斷范圍；該halbach二極磁鐵4的圓柱體的直徑與柱狀通孔的直徑之比為2.5，其圓柱體的高度與柱狀通孔的直徑之比為2。該halbach二極磁鐵4的柱狀通孔的直徑為40mm。

電極板7由兩塊“凸”字型金屬板構(gòu)成；兩塊金屬板之間呈一定夾角；兩塊金屬板前端之間的距離小于其后端之間的距離；該電極板7的兩塊金屬板之間呈3°夾角。

錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3的錐形小端和準(zhǔn)直圓盤(pán)1緊貼在一起，其另一端和halbach二極磁鐵4的一個(gè)底面緊貼在一起；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3的中心軸線(xiàn)、準(zhǔn)直圓盤(pán)1的中心軸線(xiàn)以及halbach二極磁鐵4的中心軸線(xiàn)重合；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3的錐形小端的直徑與準(zhǔn)直圓盤(pán)1的直徑相等，其另一端的直徑和halbach二極磁鐵4的底面的直徑相等，其錐形通孔的直徑大于準(zhǔn)直圓盤(pán)1的準(zhǔn)直通孔的直徑，其另一端的通孔的直徑與halbach二極磁鐵4的柱狀通孔的直徑相等；該錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3的錐形小端的直徑為其另一端的直徑的一半；錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3的厚度為halbach二極磁鐵4的柱狀通孔的直徑的四分之三。

裝配內(nèi)殼5包裹住halbach二極磁鐵4的圓柱面；裝配外殼6前端呈錐狀，其后端呈圓柱體狀；該裝配外殼6緊密包裹住準(zhǔn)直圓盤(pán)1、錐形磁場(chǎng)屏蔽鐵3和裝配內(nèi)殼4，其后端與兩塊金屬板的后端齊平；裝配內(nèi)殼與halbach二極磁鐵緊密貼合，防止磁鐵間因?yàn)橐蛘叱饬υ斐捎来盆F間的錯(cuò)位。該裝配內(nèi)殼5和裝配外殼6均為非磁性材料。該裝配內(nèi)殼5和裝配外殼6均為鋁；準(zhǔn)直圓盤(pán)1為鉭。

成像板8設(shè)置在兩個(gè)金屬板之間，其與halbach二極磁鐵4的中心軸線(xiàn)成一定角度，并且，其與halbach二極磁鐵4的柱狀通孔中的磁場(chǎng)方向平行。成像板用于離子信號(hào)記錄，通過(guò)分析成像板上離子信號(hào)分布可以反推出離子的能譜；所述成像板呈矩形，其長(zhǎng)度110mm，寬度8mm。一端位于電極板后端面，距離中心6mm，另一端位于電極板側(cè)面中間位置。

兩塊金屬板的前端設(shè)置在halbach二極磁鐵4的柱狀通孔的內(nèi)部，并且，與halbach二極磁鐵4的前端齊平，其后端分別連接兩根電源線(xiàn)9；具體地，兩塊金屬板的其中一塊金屬板平行于halbach二極磁鐵4的中心軸線(xiàn)，其法向與halbach二極磁鐵4的柱狀通孔中的磁場(chǎng)方向平行；另一塊金屬板與halbach二極磁鐵4的中心軸線(xiàn)呈一定夾角。電極板7用于產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng)，使得不同種類(lèi)離子形成不同的拋物線(xiàn)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)離子種類(lèi)的識(shí)別；兩塊金屬板具有一定的夾角，可以在產(chǎn)生足夠高電場(chǎng)的條件下保證離子能夠?qū)崿F(xiàn)足夠大的偏轉(zhuǎn)而不碰到電極板上。兩塊金屬板前端間距2mm，兩塊金屬板后端間距14mm。金屬板前端與halbach二極磁鐵前端齊平，后端延伸到磁鐵外，與halbach二極磁鐵后端距離150mm左右。金屬板在磁鐵內(nèi)部分寬度為26mm，在磁鐵外部分寬98mm。在金屬板間加6000v電壓，可以產(chǎn)生3.6~30*10⁵v/m的電場(chǎng)強(qiáng)度。使得不同種類(lèi)離子形成不同拋物線(xiàn)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)離子種類(lèi)識(shí)別；該電極板7的兩塊金屬板的后端超出halbach二極磁鐵4的部分為150mm；該電極板7的兩塊金屬板的前端的寬度為halbach二極磁鐵4的柱狀通孔的直徑的三分之二。

本發(fā)明中的湯姆遜離子譜儀占用的空間更小，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更高。

本發(fā)明中在halbach二極磁鐵前設(shè)計(jì)了一個(gè)錐形磁鐵屏蔽鐵，在一定長(zhǎng)寬比情況下，可以有效屏蔽掉外部磁場(chǎng)，同時(shí)減小內(nèi)部磁場(chǎng)損失。本發(fā)明的基于halbach二極磁鐵的湯姆遜離子譜儀在相同體積下，可以實(shí)現(xiàn)比常規(guī)湯姆遜譜儀高3倍的能量診斷。實(shí)現(xiàn)質(zhì)子能譜診斷范圍為1mev-100mev，且在100mev能量附近能譜分辨小于5%。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。