[发明专利]基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪

说明书

一种基于渐变磁场的电子和伽马射线谱仪，包括转换靶、屏蔽部分、谱仪主体部分、探测器。通过采用渐变磁场，可以使得不同能量电子偏转轨迹汇聚点近乎在一条直线上。探测器沿着该直线插入谱仪主体部分内部，采集电子或者伽马射线经过转换靶后产生的正负电子信号，实现高分辨探测。本发明具有在线探测、分辨率高、动态范围较大和使用灵活的特点。

技术领域

本发明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

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术解决方案如下：

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。

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。

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。

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。