一种在线质子成像离子谱仪诊断系统

技术领域

本发明涉及等离子体物理和核探测技术领域，具体而言，涉及一种在线质子成像离子谱仪诊断系统。

背景技术

超强超短激光与等离子体相互作用的实验研究，需要对激光打靶产生的离子能谱和质子束斑进行测量。目前质子成像系统通常是在闪烁体后面加反射镜、透镜等，最后成像到CCD上来进行记录，其结构复杂，占用空间较大。

对离子能谱的诊断，现有的方法包括基于MCP的离子谱仪、基于闪烁体的离子谱仪、以及基于CMOS芯片的离子谱仪。基于MCP的离子谱仪，由于MCP的使用对真空度要求较高，需要设计与实验打靶真空靶室相对独立的真空腔室系统(配备有专门的真空机组)。基于闪烁体的离子谱仪系统，使用光学镜头收光，由于透镜的收光效率一般只有万分之几到千分之几，还需要使用了EMCCD来提高信号增益，提高信噪比。基于CMOS芯片的离子谱仪，离子直接入射到CMOS芯片上沉积能量转化为电信号，可以具有更高的空间分辨，而且其结构紧凑，对真空度要求低，以及成本低。是未来发展离子在线诊断的一个较优的选择，但是存在芯片辐射损伤问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线质子成像离子谱仪诊断系统，以解决现有的诊断方式无法同时开展在线质子成像和离子能谱诊断的问题，同时提供紧凑的方案设计。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种在线质子成像离子谱仪诊断系统，包括在线质子成像模块、在线汤姆逊离子谱仪模块和屏蔽瞄准模块；

所述屏蔽瞄准模块包括屏蔽腔体和瞄准激光笔，所述瞄准激光笔安装于所述屏蔽腔体的最后端，所述屏蔽腔体的中轴位设置沿前后方向布置的直线诊断路径，所述屏蔽腔体的前、后端分别沿所述直线诊断路径开设通孔，所述在线质子成像模块和在线汤姆逊离子谱仪模块安装于所述屏蔽腔体内，并从前至后依次经过所述直线诊断路径，所述瞄准激光笔的激光发射方向从后至前，并重合于所述直线诊断路径；

所述在线质子成像模块包括金属滤片、第一闪烁体和两个质子成像采集组件；所述金属滤片正对所述直线诊断路径，且中心位开设重合于所述直线诊断路径的通孔；所述质子成像采集组件包括第一光纤面板(1-3)和第一CMOS传感器(1-4)，所述第一光纤面板(1-3)倾斜于所述第一闪烁体(1-2)，所述第一光纤面板(1-3)为直角梯形板，其斜腰面贴合于所述第一闪烁体(1-2)后表面，所述第一CMOS传感器(1-4)贴合于所述第一光纤面板(1-3)的直角腰面；两个所述质子成像采集组件的第一光纤面板(1-3)形成V槽朝后的V字形结构，且V槽左右边对称分布于所述直线诊断路径的左右侧；

所述在线汤姆逊离子谱仪模块包括离子束偏转机构和离子谱诊断采集组件，沿远离所述离子束偏转机构的方向，所述离子谱诊断采集组件包括依次重叠布置的避光铝膜、第二闪烁体、第二光纤面板和第二CMOS传感器，所述离子谱诊断采集组件不经过所述直线诊断路径，在所述离子束偏转机构的偏转作用下，能将从前至后穿过所述在线质子成像模块并位于所述直线诊断路径的离子束偏转，并射向所述离子谱诊断采集组件。

在本发明的一较佳实施方式中，所述瞄准激光笔通过调节支架安装于所述屏蔽腔体的最后端，通过所述调节支架能调节所述瞄准激光笔的激光发射方向的角度，使所述瞄准激光笔的激光发射方向重合于所述直线诊断路径。

在本发明的一较佳实施方式中，所述金属滤片由4片不同厚度的滤片方形滤片呈田字形布局而成。

在本发明的一较佳实施方式中，所述在线质子成像模块还包括调节支板，所述金属滤片、第一闪烁体、第一光纤面板和第一CMOS传感器均安装于所述调节支板顶面，所述调节支板能在水平方向和竖直方向调节移动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述离子束偏转机构包括二极磁铁、电极板、高压连接线缆和微型高压电源；所述二极磁铁开设重合于所述直线诊断路径的通孔结构的准直孔，所述准直孔的中轴延长线穿过所述电极板的中间缝隙；所述离子谱诊断采集组件朝向所述电极板，并倾斜于所述直线诊断路径。

在本发明的一较佳实施方式中，所述电极板包括两块对称平行分布于所述直线诊断路径左右两侧的两块楔形金属铜板；所述楔形金属板包括四个直角边部和一个斜边部。

在本发明的一较佳实施方式中，所述屏蔽腔体由铅和/或钨制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用了光纤面板耦合CMOS的结构，整个系统集成在一个较小屏蔽腔体里，实现了紧凑型的设计，减小了整个系统的尺寸，且结构简单，成本较低；

2)采用斜面光纤面板，中间区域没有光纤面板材料，可以让离子束流穿过在线质子成像模块，用于后面的离子能谱诊断，因此能同时开展在线质子成像和离子能谱诊断；

3)斜面光纤面板使得CMOS没有正对离子束流，可以有效防止辐射损伤CMOS芯片。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的在线质子成像离子谱仪诊断系统示意图；

图2为本发明提供的在线质子成像模块结构示意图；

图3为本发明提供的在线汤姆逊离子谱仪模块结构示意图；

图4为本发明提供的屏蔽瞄准模块结构示意图；

图中：1、在线质子成像模块；2、在线汤姆逊离子谱仪模块；3、屏蔽瞄准模块；1-1、金属滤片；1-2、第一闪烁体；1-3、第一光纤面板；1-4、第一CMOS传感器；1-5、调节支板；2-1、准直孔；2-2、二极磁铁；2-3、电极板；2-4、微型高压电源；2-5、高压连接线缆；2-6、避光铝膜；2-7、第二闪烁体；2-8、第二光纤面板；2-9、第二CMOS传感器；3-1、屏蔽腔体；3-2、瞄准激光笔；3-3、调节支架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参照图1，本发明提供一种在线质子成像离子谱仪诊断系统，包括在线质子成像模块1、在线汤姆逊离子谱仪模块2和屏蔽瞄准模块3。

屏蔽瞄准模块3的瞄准激光笔3-2发射的激光依次穿过在线汤姆逊离子谱仪模块2和在线质子成像模块1，形成光轴入射到激光离子加速实验用靶靶面(在实验时安装于在线质子成像模块1的正前方)，使得在线质子成像模块1、在线汤姆逊离子谱仪模块2和瞄准激光笔3-2同轴，即同轴于直线诊断路径。其中在线质子成像模块1用于对激光加速质子的角分布进行在线测量，在线汤姆逊离子谱仪模块2用于对激光加速离子能谱进行测量。

采用本系统的进行实验的过程如下：

首先将调节支架3-3(为非核心结构，图中未示出如何调节，现有技术很多调节装置都能满足要求，在本发明中要求其能上下结合俯仰，左右结合旋转调节瞄准激光笔3-2)调节至合角度，使瞄准激光笔3-2发出的激光能通过屏蔽腔体3-1的通孔和在线汤姆逊离子谱仪模块2的准直孔2-1出射至在线质子成像模块1；

然后调节在线质子成像模块1的调节支板1-5(为非核心结构，图中未示出如何调节，现有技术很多调节装置都能满足要求，在本发明中要求其具有二维调节功能，即平移调节水平位置，以及升降调节竖直位置)，使得激光能从在线质子成像模块1封装有薄膜的第一闪烁体1-2中心通孔出射。

最后把整个系统放置在一个四维调节平台上，通过调节使得瞄准激光入射到激光离子加速实验用靶靶面，即实现了系统的瞄准。

图2为本发明提供的在线质子成像模块1的结构示意图，在线质子成像模块1包括金属滤片1-1、第一闪烁体1-2、两个质子成像采集组件以及调节支板1-5；金属滤片1-1和第一闪烁体1-2前后重叠布置并正对直线诊断路径，且中心位均开设重合于直线诊断路径的通孔；

质子成像采集组件包括第一光纤面板1-3和第一CMOS传感器1-4，第一光纤面板1-3倾斜于第一闪烁体1-2，第一光纤面板1-3为直角梯形板，其斜腰面贴合于第一闪烁体1-2后表面，第一CMOS传感器1-4贴合于第一光纤面板1-3的直角腰面；两个质子成像采集组件的第一光纤面板1-3形成V槽朝后的V字形结构，且V槽左右边对称分布于直线诊断路径的左右侧。

金属滤片1-1由4片不同厚度的滤片组成，形成为田字形，从而使得对应位置处第一闪烁体1-2测量不同能量的质子，从而给出4个能量点的质子空间分布，每块滤片尺寸25mm×25mm。除此之外，金属滤片1-1还可以围绕其中心的通孔环向分布8片或者12片。

第一闪烁体1-2采用有机闪烁体，型号EJ228，厚度50μm，尺寸50mm×50mm，用于把质子信号转换为可见光信号。

第一光纤面板1-3与前后直线方向呈倾斜夹角，用于把可见光信号传输到第一CMOS传感器1-4上，采用斜面的方式，可以保护第一CMOS传感器1-4不会受到直接辐照，采用在两侧分别布置一块第一光纤面板1-3，便于将中间区域留出，通过在第一闪烁体1-2中心开孔(或开缝)，使离子束能经过中间区域到后面的在线汤姆逊离子谱仪模块2进行离子能谱诊断。

第一CMOS传感器1-4用于记录可见光信号，尺寸18mm×50mm，像素尺寸20μm。

调节支板1-5用于金属滤片1-1、第一闪烁体1-2、第一光纤面板1-3和第一CMOS传感器1-4构成的整体结构的位置调整。

金属滤片1-1和第一闪烁体1-2紧贴，中心设置有Φ2mm的通孔，便于离子进入后面的在线汤姆逊离子谱仪实现离子能谱诊断。

两块第一光纤面板1-3相对于直线诊断路径呈45度的斜面，且与第一闪烁体1-2的接触面面积均为25mm×50mm。入射到第一闪烁体1-2的质子束产生可见光被两块第一光纤面板1-3传输到其后的第一CMOS传感器1-4，然后通过光电效应把光信号转化成电信号，电信号通过模数转换得到数字信号，通过数据线传输数字信号到电脑上实现质子成像的记录。

在线质子成像模块1中的调节支板1-5具有水平移动和竖直移动二维调节功能，调节范围±2mm。

图3为本发明提供的在线汤姆逊离子谱仪模块2示意图，其包括准直孔2-1、二极磁铁2-2、电极板2-3及微型供电高压电源、避光铝膜2-6、封装有薄膜的第二闪烁体2-7、第二光纤面板2-8及其后的第二CMOS传感器2-9，第二CMOS传感器2-9为条形结构。

二极磁铁2-2用于产生磁场，通过调节电流可以控制磁场的强度和方向。电极板2-3用于控制离子束的走向和偏转，位于二极磁铁2-2的下游位置，以便在磁场偏转之后进一步调整束流。高压连接线缆2-5用于将电极板2-3与微型高压电源2-4连接起来，它传输高压电信号，以便在电极板2-3上建立所需的电场。微型高压电源2-4用于为电极板2-3提供所需的高电压，以形成电场。

准直孔2-12-1内径Φ0.2mm；

在线汤姆逊离子谱仪模块2中，电极板2-3包括两块平行的楔形金属铜板，楔形金属铜板是将一块矩形铜板的直角部切掉后形成，铜板厚度4mm，两块楔形金属铜板的间距10mm，长度120mm。

相对于现有的闪烁体耦合透镜的方式，本发明采用光纤面板耦合CMOS的结构，具有足够的光收集效率，真空度要求不用像MCP那么高，经过二极磁铁2-2偏转后，最终入射到第二CMOS传感器2-9上的辐射源只有离子，相对于电子和X射线，离子在材料中的射程短，具有一定厚度(该厚度根据实际产生的离子而定)的光纤面板可以防止离子直接入射到CMOS芯片上，从而对CMOS芯片存在一定的抗辐射保护。

图4为本发明提供的屏蔽瞄准模块3示意图，包括屏蔽腔体3-1、瞄准激光笔3-2及用于调节瞄准激光笔3-2姿态的调节支架3-3，屏蔽腔体3-1为金属体。屏蔽腔体3-1安装瞄准激光笔3-2的一面中心设置激光通孔，与瞄准激光笔3-2相对的另一面开设方形孔，可以使得在线质子成像模块1的金属滤片1-1露出。

屏蔽瞄准模块3中的屏蔽腔体3-1材料选用铅或者钨等对X射线具有较高屏蔽效果的材料制成。

本发明提供的一种在线质子成像离子谱仪诊断系统，通过屏蔽瞄准组件的瞄准激光笔3-2确定在线质子成像模块1、在线汤姆逊离子谱仪模块2和瞄准激光笔3-2光束是否同轴布置，若不同轴，则通过调节结构对其调节，直至同轴为止。

采用本发明所提供的在线质子成像离子谱仪诊断系统，激光从后至前单次经过最前方的在线质子成像模块1后照射到实验所用靶面(能加速产生质子，以及电子、X射线等各类辐射源)，即可实现质子成像和离子能谱的同时同轴在线测量，为开展激光等离子体离子加速诊断提供更便捷快速的诊断数据。而且整个系统集成在一个小盒子里，实现了紧凑型设计，使用更便捷。

本发明所述在线质子成像离子谱仪诊断系统，其工作原理如下：

瞄准激光笔3-2射出的激光从后至前经过最前方的在线质子成像模块1后入射到靶面(实验中靶面位于在线质子成像模块1前方，图中未画出)上。

然后把瞄准激光笔3-2关掉。开始正式实验，超强激光聚焦入射到靶面，加速产生质子、重离子、电子、X射线等，首先入射到在线质子成像模块1的金属滤片1-1上。金属滤片1-1可以屏蔽掉打靶漏激光及低能重离子对质子成像记录的干扰。第一闪烁体1-2足够薄(厚度在10微米量级)，主要是质子沉积能量在上面，即把质子的空间分布信息转换成可见光，然后可见光经过第一光纤面板1-3传输到第一CMOS传感器上实现光的记录。通过记录信号的空间分布和强度信息来反映质子空间分布信息即实现了质子成像在线记录。电子、X射线穿透力强，会从第一闪烁体1-2后穿出，辐射到在线汤姆逊离子谱仪模块2的二极磁铁2-2的前壁再被阻挡。从第一闪烁体1-2中心孔穿出的电子、X射线、质子和重离子从在线汤姆逊离子谱仪模块2的二极磁铁2-2前壁中间设置的准直孔2-1，进入二极磁铁2-2中。X射线沿直线向前传输。电子和离子(包括质子和重离子)具有不同的带电性质，电子向下偏转，离子向上偏转，实现分离。然后离子进入电极板2-3再向左右偏转(取决于电压方向)，不同核质比偏转程度不一样。从而实现不同种类离子的分离。最终在线汤姆逊离子谱仪模块2的离子采集模块上记录到不同的抛物线形曲线，不同能量和种类的离子会入射到第二闪烁体2-7面上的不同位置，每种离子入射到第二闪烁体2-7上的位置为一条抛物线，抛物线不同位置对应离子能量不同，不同离子为不同的抛物线。

入射到第二闪烁体2-7上的离子会沉积能量，产生闪烁光。闪烁光通过第二光纤面板2-8传输到第二CMOS传感器2-9上，通过光电效应产生电信号，电信号再通过进行模数转换得到数字信号，再通过数据线把数字信号传输到电脑上进行记录。电脑上有一个采集软件，上面是有一个m*n的二维像素阵列。每个像素与闪烁体面上的位置一一对应。从而可以记录到抛物线的曲线。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。