基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪

1.本实用新型涉及电子和伽马射线探测，特别是一种基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪。


背景技术：

2.随着激光技术的快速发展，特别是啁啾脉冲放大技术(cpa)的提出和实现，激光的峰值强度不断提高。强场激光经过二十多年的发展，国内外的激光装置纷纷突破pw极限。最近几年，一系列大科学计划开始建设10pw量级的激光装置。上海光机所于2020年率先完成10pw级激光装置及物理实验平台建设验收，并且已经开展100pw激光装置建设。pw级强场激光的一个重要应用方向是可通过多种机制产生伽马射线：强激光加速产生的高能电子轰击高z靶，通过轫致辐射产生伽马射线；激光加速的高能电子束与次级激光脉冲相互作用，通过逆康普顿散射产生高能伽马射线；强激光尾场加速的高能电子在尾场中横向静电场作用下通过回旋辐射产生高亮度的伽马射线；强场激光与等离子体相互作用进入辐射主导区时(10pw级激光)，电子在激光场中运动可以产生极强的伽马辐射。
3.相比传统伽马射线，强场激光产生的伽马射线具有独特的性质，由于强场激光在时间上是超快的，其产生的伽马射线源通常也超快，一般小于皮秒量级。常用的伽马射线探测器，如闪烁体和半导体探测器的时间分辨率一般都在亚纳秒或纳秒以上，即两个相邻入射伽马光子的时间间隔需要达到纳秒以上才能分辨出来。飞秒相对论激光驱动产生的伽马射线脉宽短，所有伽马光子几乎同时到达探测器，它们会瞬间产生大量荧光光子，发生“通道堵塞”，因此无法用这些探测器直接测量超快伽马射线能谱。伽马射线与物质相互作用机制有光电效应、康普顿散射、正负电子对产生、光核反应等。超快伽马射线的探测也主要是利用上述几种机制，实现间接测量。康普顿散射法是常用的探测方法，主要依据康普顿散射后的电子与入射伽马射线有类似的能谱分布。高能伽马射线入射到转换靶上，通过康普顿散射产生电子，电子能谱由磁谱仪测得，根据散射电子的能谱反推出入射光的光谱。该方法适用于数十mev以下伽马射线的探测。康普顿散射谱仪通常采用均匀磁场(rev.sci.instrum.85,065119(2014))或者阶梯变化的磁场(matter radiat.extremes 6,014401(2021))来偏转电子，前者分辨率较低，后者为了取得较高分辨率需要将探测器弯曲放置，不利于实时探测。先技术(cn213635562u)提出可以产生渐变磁场的永磁装置，证明渐变磁场的产生是可行的。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有测量技术的不足，提出一种基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪，该装置可以实现激光驱动的超快伽马射线能谱探测。该装置在真空、空气等实验环境中都可以使用，且具有在线探测、分辨率高、动态范围较大和使用灵活的特点。
5.本实用新型的技术解决方案如下：
6.一种基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪，其特点在于，包括转换靶、屏蔽部分、
谱仪主体部分和探测器，其位置关系是：沿着伽马射线前进的方向依次是所述的转换靶、屏蔽部分、谱仪主体部分，所述的探测器插入所述的谱仪主体部分内部。
7.所述的屏蔽部分由多块带相同直径的中心孔的铅砖及插入铅砖中心孔的钨管组成。
8.所述的谱仪主体部分由注入孔、磁钢组、装配外壳和后端准直管组成，所述的磁钢组产生磁场强度线性增强的渐变磁场，在该渐变磁场的作用入射电子发生偏转，不同能量电子偏转轨迹汇聚点在近乎一条直线上，所述的装配外壳用于封装所述的磁钢组，固定所述的注入孔和后端准直管，并具有一定磁场屏蔽和噪声屏蔽作用，所述的注入孔和后端准直管用于谱仪对准。
9.所述的探测器沿着所述的不同能量电子偏转轨迹汇聚点所在的直线插入所述的谱仪主体部分内部，所述的探测器由探测器插板、成像板或者荧光屏构成，所述的成像板或者荧光屏装在所述的探测器插板上。
10.所述的转换靶为低z靶材，如lif、c等，用于将入射伽马射线转换成电子。
11.所述的钨管直径的内径具有多种尺寸可供选择，用于调节限孔尺寸，铅砖数目可根据需求调节。
12.所述的成像板主要用于非重频激光条件下电子和伽马射线能谱探测；荧光屏与相机一起使用，以实现重频激光条件下的实时探测。
13.与在先技术相比，本实用新型的技术效果如下：
14.1.分辨率高，该实用新型利用渐变磁场使得不同能量不同位置入射的电子偏转轨迹基本汇聚点在一条直线上，使得整个能谱探测范围都有高分辨率。
15.2.能够在真空或非真空条件下中实现实时探测和离线探测。探测器座可分别放置荧光屏和成像板，用于实时和离线探测。采用荧光屏实时探测时，探测器座开槽，ccd相机可以直接对荧光屏成像。
16.3.动态范围大。本实用新型可以实现百kev到数十mev的超快伽马射线和电子能谱的探测。
17.本实用新型在真空、空气等实验环境中都可以使用，且具有在线探测、分辨率高、动态范围较大和使用灵活的特点。
附图说明
18.图1是基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪的结构示意图；
19.图2不同能量电子从不同位置入射到磁场梯度11t/m的渐变磁场中的轨迹图；
20.图3基于渐变磁场的20mev电子和伽马射线谱仪尺寸图；
21.图4基于渐变磁场的20mev电子和伽马射线谱仪的实测磁场强度梯度。
22.图中：
23.1-转换靶、2-屏蔽部分、3-谱仪主体部分、4-探测器、301-注入孔、302-磁钢组、303-装配外壳、304-后端准直管。
具体实施方式
24.为让本实用新型的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施
方式进行详细说明。需要说明的是，本实用新型不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本实用新型，各技术术语可以基于本实用新型的精神实质来做最宽泛的理解。
25.先请参阅图1，图1是本实用新型基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪的结构示意图，由图可见，本实用新型基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪，包括转换靶1、屏蔽部分2、谱仪主体部分3和探测器4，其位置关系是：沿着伽马射线前进的方向依次是所述的转换靶1、屏蔽部分2、谱仪主体部分3，所述的探测器4插入所述的谱仪主体部分3的内部。
26.该谱仪用于电子探测时，不需要加所述转换靶1。用于伽马射线探测时，需要加入所述转换靶1，将入射伽马射线转换成电子；通常采用lif、c等低z靶材。所述屏蔽部分2由多块带孔的铅砖及钨管组成，钨管直径有多种尺寸；根据探测需要，可以调节铅砖数目，也可以选择不同内径的钨管，插入铅砖中，调节限孔尺寸。所述主体部分3由注入孔301、磁钢组302、装配外壳303和后端准直管304组成。准直时，将激光笔插入所述后端准直管304，激光从所述后端准直管304穿过所述谱仪主体部分3的中心从所述注入孔301穿出，经过所述屏蔽部分2的限孔中心，打到靶点，从而进行谱仪位置方向调节。所述磁钢组302由多块磁钢组成，可以产生沿着入射方向磁场强度线性增强的磁场。所述装配外壳303用于封装所述磁钢组302，固定所述注入孔301和所述后端准直管304，并具有一定磁场屏蔽和噪声屏蔽作用。采用荧光屏进行探测时，需要把两侧的屏蔽壳拆除，便于正负电子打在荧光板上产生的荧光被相机探测到。所述探测器4由探测器插板、成像板或者荧光屏构成。探测器插板有不开槽和开槽两种类型。不开槽的插板安装成像板，信号采集完成后将成像板取出后，采用成像板扫描仪读取信号；因此成像板适用于非重频激光条件下。开槽插板用于安装荧光屏，荧光屏出光面对着槽，采用相机采集电子打在荧光屏上产生的荧光信号，适用于重频激光条件下的电子和伽马射线能谱实时探测。
27.实施例见图3和图4：一种能量范围0.2～20mev的渐变磁场电子和伽马射线谱仪。该谱仪的转换靶为碳靶。屏蔽部分由5件厚度20mm的铅板组成。铅板的中心开孔，该孔的基准尺寸直径10mm。中心孔内配外径10mm，长度20mm，内径8、5、2或1mm的钨管，可按需灵活更换。磁场工作区(长*宽*气隙)：120*192*8mm，中心磁场强度梯度为11t/m，高端磁场强度1.3t。前端注入口为尺寸10*20mm的方孔，后端准直管的直径为10mm。将激光笔插入后端准直管，调整谱仪位置，使光束通过谱仪前注入口对准靶点即可。探测器通过插板插入到磁场内部，磁场内部有插板固定槽口，两侧探测器(ip1、ip2)位置：y＝-0.14+0.81*x，不同能量电子入射本实施例的谱仪后的轨迹汇聚点在该直线附近，保证本实施例的谱仪在0.2～20mev能量范围内具有高分辨率。后端探测器ip3前端面如图距磁场前端120mm处，用于探测能量大于20mev电子，分辨率相对较低。该谱仪采用线性渐变磁场实现对高能电子的高分辨探测，体积和重量也相对较小，可实现单人移动和调节。
28.实验表明，本实用新型装置在真空、空气等实验环境中都可以使用，且具有在线探测、分辨率高、动态范围较大和使用灵活的特点。
29.上述实施例仅为本实用实用新型的优选实施例，并非限制本实用新型的保护范围，本实用新型可以做各种更改和变化，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。