CN107121693B - 基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
这种电子谱仪包含有电子准直装置、均匀磁场，薄膜闪烁体，塑料光纤线面转换阵列和基于CCD或sCOMS的成像系统。其工作原理可表述如下：电子经过电子准直装置入射到均匀磁场中。电子在均匀磁场中偏转，并入射到闪烁体上。闪烁体发出可见光，经过塑料光纤的收集，并从光纤的另一端出射。塑料闪烁体的一端排布成线性阵列以适应闪烁体的几何尺寸，另一端排布成面型阵列以适应成像系统的像面。光纤是塑料光纤，对高能粒子和辐射不响应。电子准直装置可以屏蔽磁铁边缘非均匀的磁场。光纤用100微米厚铝膜包裹以屏蔽可见光。面光纤阵列的光通过真空腔的玻璃窗口被放在大气下的成像系统采集。成像系统放在大气下可以更方便的屏蔽电磁脉冲。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪。
根据本发明提供的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、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、均匀磁场装置以及闪烁体设置在电子谱仪主体部分内。
优选地，所述电子谱仪主体部分在电子准直装置的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。
优选地，所述均匀磁场装置包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对的具有异名磁极的磁铁，该磁铁为NdFeB粘结永磁材料，由平行磁铁生成的磁场成梯形分布，且平行磁铁的磁场方向与电子准直装置的轴向相互垂直；其中磁场均匀区域的磁场大小为0.12Tesla；所述壳体的材料是低碳钢。
优选地，所述电子准直装置的制作材料为A3钢，内孔径为3mm，长度为30mm。
优选地，所述闪烁体由荧光材料Gd2O2S:Tb制成，所述闪烁体紧贴在线光纤阵列上，所述闪烁体的长、宽、厚分别为200mm、10mm、630μm；且所述闪烁体所在的平面位于电子准直装置的下方位置并与电子准直装置的轴向呈45度夹角。
优选地，所述光纤线面转换阵列的一端是均匀排布的线光纤线阵列，每一行线光纤线阵列排布有4根塑料光纤，总共有120行；所述光纤线面转换阵列另一端是均匀排布的面光纤面阵列，每一行面光纤面阵列排布有16根光纤，总共30行；所述线光纤阵列伸入到磁铁内部的均匀磁场区域并于闪烁体10紧贴。
优选地，所述成像系统采用成像镜头配合16位高动态范围的sCMOS或CCD对面光纤阵列进行成像。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的电子谱仪采用了塑料光纤阵列，对高能粒子和辐射不敏感，具有灵活、低噪音等优点。
2、本发明的电子谱仪采探测器采用了闪烁体，可以在高重复频率下工作。
3、本发明中特别设计的光纤线面转换阵列很好的匹配了成像探测器(sCMOS或CCD)的像面，提高了能量分辨本领。
4、本发明中的成像装置放在靶室外可以很好的屏蔽电磁脉冲。
5、本发明中的光纤柔软易弯折，当改变电子谱仪的探测方向时，不需要改变成像系统。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为电子谱仪整体布局图；
图2为电子谱仪主体部分剖面示意图；
图3(a)、图3(b)为不同发散角的电子在磁场中的偏转轨迹；
图4为线光线阵列示意图；
图5为面光线阵列示意图；
图6为光纤线面转换阵列结构示意图；
图7为电子谱仪的测量范围和能量分辨率；
图8为相对的光纤线面转换效率；
图9为面光线阵列成像图；
图10为电子能谱图；
图中：
1-产生电子束的靶；
2-电子谱仪主体部分；
3-光纤；
4-面光纤阵列；
5-反射镜；
6-成像镜头；
7-sCMOS相机；
8-均匀磁场装置；
9-电子准直装置；
10-闪烁体；
11-线光纤阵列。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的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9、均匀磁场装置8、闪烁体10、光纤线面转换阵列以及成像系统。所述均匀磁场装置8、电子准直装置9以及闪烁体10设置在电子谱仪主体部分2内。
所述电子谱仪主体部分2在电子准直装置9的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。
所述均匀磁场装置8包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对的具有异名磁极的磁铁，该磁铁为NdFeB粘结永磁材料。由平行磁铁生成的磁场成梯形分布，且平行磁铁的磁场方向与电子准直装置的轴向相互垂直；其中磁场均匀区域的磁场大小为0.12Tesla。壳体的材料是低碳钢。
所述电子准直装置9的制作材料为A3钢，内孔径为3mm，长度为30mm。
所述闪烁体10由荧光材料Gd2O2S:Tb制成，所述闪烁体10紧贴在线光纤阵列上，所述闪烁体10的长、宽、厚分别为200mm、10mm、630μm；且所述闪烁体10所在的平面位于电子准直装置9的下方位置并与电子准直装置9的轴向呈45度夹角。
所述光纤线面转换阵列的一端是均匀排布的光纤线阵列，每一行光纤线阵列排布有4根塑料光纤，总共有120行；所述光纤线面转换阵列另一端是均匀排布的面光纤面阵列，每一行面光纤面阵列排布有16根光纤，总共30行；所述线光纤阵列深入到磁铁内部的均匀磁场区域。
所述成像系统采用f＝6-12mm/F1.6成像镜头配合16位高动态范围的sCMOS或CCD对面光纤阵列进行成像。
本发明中的光纤阵列所用光纤对电子、各种高能粒子、各种辐射几乎不响应，极大地降低了背景噪音。成像系统可放在大气下，光纤的可弯曲性决定了当电子谱仪移动时，不需要重新调整成像系统。
下面结合具体实施例和附图对本发明中的技术方案做更加详细的说明。
同传统的基于闪烁体的电子谱仪一样，本发明中的电子谱仪也包括：均匀的磁场、闪烁体、电子准直装置和成像系统。区别在于：本电子谱仪的成像系统不是直接对闪烁体进行成像，而是附加了一套光纤的线面转换阵列(图6)。光线阵列的一端是4x120线性排布的阵列(图4)，另一端是4列4x30排布的面阵列(图5)。该面阵列很好地匹配了成像系统CCD或sCMOS的响应像面的大小，提高了成像分辨率，从而提高了谱仪的能量分辨率(图7)。利用本光纤线面转换装置，有以下几个优点：第一，物理实验过程中产生了很多的高能粒子和辐射，本谱仪应用的光纤对这些粒子和辐射不敏感，不需要加入额外的屏蔽。第二，由于光纤灵活、可弯曲和屏蔽简单等优点，整个成像系统可固定在靶室外，当移动或调节电子谱仪的时候，不需要重新进行成像调节，可以简单方便地改变电子谱仪的测量角度。
本电子谱仪的整体结构布局如图1所示，该谱仪由电子谱仪主体部分2、光纤3、面光纤阵列4、成像镜头6和sCMOS相机7组成。其中电子谱仪的主体部分包含均匀磁场、闪烁体、电子准直装置和线光纤阵列，其剖面结构如图2所示。线光纤阵列安置在均匀磁场区域，闪烁体紧贴在线光纤阵列的一端。面光纤阵列安置在靶室的窗口处，成像系统安置在靶室外的大气下，方便对成像系统进行调节和屏蔽，如图1所示。靶面产生了大量的电子，沿图1虚线方向的电子进入到电子谱仪主体部分，电子经过电子准直装置沿图2虚线方向入射到梯形磁场中。梯形磁场包裹在壳体中，壳体的尺寸为200mm(图2，L1和L2)，两块磁铁间距10mm，梯形磁场两个长边为160mm，磁场大小是0.12特斯拉，磁场边缘是非均匀的区域，磁场中心是相对均匀的区域，均匀区域的磁场强度的标准差小于5％。电子准直装置是用A3钢制作而成，长度为30mm，准直孔大小是3mm，一方面它对入射到谱仪的电子束进行准直，另一方面，它具有屏蔽边缘磁场的作用。在电子准直装置的轴向(图2虚线)方向上，壳体有个孔，它可以帮助准直和调整电子谱仪。其过程为：一个可见光波段的连续激光器安装在一个可调节的支架上，该激光器的位置和姿态可以通过调节支架来调整。具体的调节方法是：首先调整激光器的位置和姿态使其穿过壳体孔和电子准直孔，然后调整谱仪的姿态，使得激光器出射的光穿过孔、电子准直装置到达靶点，激光光路沿图2虚线方向。
本电子谱仪应用的闪烁体是一种DRZ荧光屏(Gd2O2S：Tb，PI-200)，长、宽和厚度分别是200mm，10mm和0.63mm。闪烁体紧贴在线光线阵列的表面，与水平方向成45度夹角，如图2所示。1-4.5MeV的电子在磁场中偏转，不同能量的电子偏转半径不同，在低能处，电子聚焦效果更加明显，而在高能处，电子不能很好地聚焦到一点，这是由于电子束的发散造成的。如果不考虑电子束的发散，那么电子束会聚焦在闪烁体上，这大大提高了电子谱仪的能量分辨能力，如图3(a)所示。但是，考虑到电子有初始的发散角，加上电子准直装置的屏蔽作用，电子在磁场中不会聚焦到一点，其轨迹如图3(b)所示。
光纤的长度为1米，直径是0.75mm，两个光纤之间的间距是1.2mm。光纤通过光纤固定装置，在光纤的一端组成线光纤阵列，在另一端组成面光纤阵列。图4和图5分别为线光纤阵列和面光纤阵列的示意图，光纤线面转换的效果如图6所示。比起线光纤阵列，成像系统对面光纤阵列的成像分辨率要好得多。这样不仅增加了数据的可靠性，同时提高了谱仪的能量分辨能力。
本电子谱仪的能量分辨是由电子谱仪的接收角和光纤的直径决定的。本文讨论电子谱仪的能量分辨本领时，电子谱仪的工作距离是固定的17cm，即接收角固定在2.4﹡10-4弧度。在本电子谱仪中，低能电子(<1.9MeV)在闪烁体上聚焦的斑小于光纤的直径，因此，在此区域电子谱仪的能量分辨主要是由光纤的直径限制，当电子能量>1.9MeV时，电子聚焦束斑大于光纤直径，谱仪的能量分辨能力取决于聚焦的电子斑的大小，如图7所示。每根光纤的线面转换效率是不同的，这取决于光纤的排布。因此需要对光纤的相对转换效率进行标定。用相同的光源对480根光纤的相对耦合效率进行标定，结果如图8所示。
该电子谱仪的成像系统是由sCMOS相机(ORCA-Flash4.0LT，滨淞光子)和成像镜头组成。该电子谱仪在具体应用过程中得到了很好的测试与标定。在激光与固体靶相互作用的实验中，如图1所示，靶面方向出射的电子进入到谱仪磁场区域，电子在磁场区域进行偏转，入射到闪烁体不同的位置，如图2、3所示。不同位置的闪烁体发出的光通过不同的光纤通道，经过光纤线面转换阵列，形成一个面光纤阵列。面光纤阵列出射的光经过银镜收集后，进入到成像系统内。
面光线阵列的成像如图9所示。光纤分成四列，从左到右，对应的电子能量逐渐增加。每一行4根光纤对应同一个能量，电子能量随行数(从上到下)的增加逐渐增大。对光纤面阵列进行成像，同时对其相对强度进行解析得到相对电子能谱，如图10中的点。用ImagePlate(IP)对电子数目进行绝对标定，并结合闪烁体的信号得到绝对的电子能谱，如图10中的线。这样，一个完整电子能谱就表征出来了。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，包括：电子准直装置(9)、均匀磁场装置(8)、闪烁体(10)、光纤线面转换阵列以及成像系统；所述均匀磁场装置(8)、电子准直装置(9)以及闪烁体(10)设置在电子谱仪主体部分(2)内；
所述均匀磁场装置(8)包括：平行磁铁和壳体，所述平行磁铁包括两块相对的具有异名磁极的磁铁，该磁铁为NdFeB粘结永磁材料，由平行磁铁生成的磁场成梯形分布，且平行磁铁的磁场方向与电子准直装置(9)的轴向相互垂直；其中磁场均匀区域的磁场大小为0.12Tesla；所述壳体的材料是低碳钢。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述电子谱仪主体部分(2)在电子准直装置(9)的轴向上有一个同轴孔，该同轴孔的直径为3mm。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述电子准直装置(9)的制作材料为A3钢，内孔径为3mm，长度为30mm。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述闪烁体(10)紧贴在线光纤阵列上，且所述闪烁体(10)所在的平面位于电子准直装置(9)的下方位置并与电子准直装置(9)的轴向呈45度夹角。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述光纤线面转换阵列的一端是均匀排布的线光纤线阵列(11)；所述光纤线面转换阵列另一端是均匀排布的面光纤面阵列(4)；所述线光纤阵列(11)伸入到磁铁内部的均匀磁场区域并于闪烁体(10)紧贴。
6.根据权利要求1所述的基于薄膜闪烁体和光纤阵列的实时电子谱仪，其特征在于，所述成像系统包括成像镜头配合16位高动态范围的sCMOS或CCD对面光纤阵列(4)进行成像。
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| CN205594173U (zh) * | 2016-04-14 | 2016-09-21 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 用于测量超热电子能谱的电子磁谱仪 |
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