[發(fā)明專利]基于薄膜閃爍體和光纖陣列的實時電子譜儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710139151.9
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN107121693B
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葛緒雷;遠(yuǎn)曉輝;楊骕;方遠(yuǎn);魏文青;鄧彥卿;高健;劉峰;盛政明;張杰
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 31236 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 郭國中<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明提供了一種基于薄膜閃爍體和光纖陣列的實時電子譜儀，包括：電子準(zhǔn)直裝置、均勻磁場裝置、薄膜閃爍體、光纖線面轉(zhuǎn)換陣列以及成像系統(tǒng)；所述電子準(zhǔn)直裝置、均勻磁場裝置以及薄膜閃爍體設(shè)置在殼體內(nèi)，且所述殼體在電子準(zhǔn)直裝置的軸向上有一個同軸孔，該同軸孔用于輔助電子譜儀的位置調(diào)整。本發(fā)明中的電子譜儀是在傳統(tǒng)的基于磁場偏轉(zhuǎn)的電子譜儀基礎(chǔ)上，結(jié)合了閃爍體的實時探測、塑料光纖的低噪聲和靈活、面光纖陣列與探測器像面的良好匹配等優(yōu)點，實現(xiàn)了簡單、易操作的電子譜儀，本發(fā)明中的電子譜儀可以診斷和探測能量在0.98MeV到4.55MeV的電子，并可擴展到更高的能段，在激光等離子體物理中有重要的應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子譜儀技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及基于薄膜閃爍體和光纖陣列的實時電子譜儀。

技術(shù)背景

自1985年G.Mourou等人提出啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)以來，激光的功率達(dá)到TW-PW量級，聚焦功率密度達(dá)到10²⁰W/cm²以上，如此超強的超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用將產(chǎn)生大量相對論能量電子，這些相對論電子的產(chǎn)生和輸運是激光等離子體相互作用的很多過程的基礎(chǔ)，是高能能量密度物理研究領(lǐng)域內(nèi)一個基本的課題。因此測量這種相對論電子的能譜就顯得極為重要。

電子能譜一般是基于電子在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理來測量的。電子在磁場中受到洛倫茲力的作用進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，不同能量的電子偏轉(zhuǎn)的半徑不同，會在空間上分開。電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑可表述為：

其中m,v,q分別表示電子的質(zhì)量、速度和電量。γ表示相對論因子，B為磁場強度。在磁場內(nèi)部不同位置放上診斷電子的探測器，就可以測量電子的能譜。

目前，最常用的電子譜儀探測器有成像板(Image Plate，IP)，薄膜閃爍體和閃爍體光纖。

IP成像板響應(yīng)靈敏，電子束經(jīng)過IP后會留下信號，因此它可以直接記錄電子的數(shù)據(jù)，它的測量范圍廣，動態(tài)范圍高。一般地，IP成像板被應(yīng)用在低頻率的激光等離子體實驗中。這是因為IP是一種被動探測裝置，需要破壞靶室真空取出并使用專門讀出儀獲取信號。同時，其信號會隨時間逐漸消退，因此，不宜過長時間的放置。而且，再次使用需要曝光清除其中的殘留信號。

閃爍體的工作機制是：當(dāng)電子入射到閃爍體時，閃爍體會發(fā)射閃爍熒光，因此閃爍體可以把電子信號轉(zhuǎn)換成可見光波段光信號。閃爍體可以在高重復(fù)頻率下進(jìn)行實時探測。閃爍體安置于需要測量的位置，電子入射到閃爍體時，發(fā)出的可見光經(jīng)過透鏡的收集并成像到sCMOS或CCD上。閃爍體通常是狹長的一窄條，因此只有一窄條的CCD或SCMOS像面被使用，這限制了電子譜儀的能量分辨率。同時，譜儀的整個成像光路系統(tǒng)還需要良好的屏蔽，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和臃腫。

閃爍體光纖跟閃爍體類似，都是把電子信號轉(zhuǎn)換成可見光，同時也可以在高重復(fù)頻率下工作。不同的是，閃爍體光纖是可彎曲的，閃爍體光纖的一端并排組成一列，與譜儀內(nèi)磁場平行，閃爍體光纖的另一端組成一個面型陣列，這提高了CCD或sCMOS的像面利用率。但是因為閃爍體光纖對于電子的響應(yīng)靈敏，對于其他一些高能粒子(質(zhì)子、離子和中子等)和輻射(x-ray、γ-ray)也會有響應(yīng)，因此需要加額外的屏蔽板。為避免閃爍體光纖引入的背景噪聲，有些人把閃爍體光纖的長度縮短并把CCD耦合到電子譜儀的內(nèi)部。但是，在激光等離子體物理試驗中，實驗過程會激發(fā)強的電磁脈沖，sCMOS或CCD在強電磁脈沖的環(huán)境中有損壞的危險。

通過以上分析，目前電子譜儀就應(yīng)用的方便性上還有一些不足之處，基于此，我們設(shè)計了一款簡單靈活，高重復(fù)頻率的可實時探測的電子譜儀。