重粒子磁谱仪

用于重粒子磁谱测量的设备

重粒子磁谱仪：一类磁谱仪。用以分析质量大于质子的粒子引起的核反应中，反应产物能谱。早在E.卢瑟福时代，180°单聚焦磁谱仪就被用来研究天然α衰变，这是最早的重粒子磁谱仪。

原理

磁谱仪的作用在于使不同动量的带电粒子通过磁场后在空间上分散开，并分别聚焦在位置灵敏探测器上。为达到高分辨率，要求具有相同动量的粒子聚焦在探测器上的像点尽可能小。在核反应实验中，为减少积累数据的时间，要求谱仪系统的接受立体角Ω尽可能大。如能在大接受立体角（如Ω≈10msr）下获得良好动量分辨率如Δp/p=10，重粒子磁谱仪必须对二次以至高次像差进行精确修正。所以近代重粒子磁谱仪在结构上不仅采用了多个分立磁元件的组合形式，还使用了复杂边界形状的磁极。

测量方法

由于核反应出射粒子的动量同出射角度有关，则由谱仪孔径张角内接受的粒子动量将有微小差异，从而不能严格聚焦在一点。这种纯属反应运动学造成的动量分散称为运动学展宽,以因子 k量度,p是动量,θ是粒子的出射角。在重离子核反应中，特别是重入射粒子同轻靶核的准弹性散射过程中，运动学展宽效应会十分严重，在全部量程内使分辨变劣。为适应各种核反应的运动学状况，要求重粒子磁谱仪具有一定的运动学补偿能力。对分裂磁极谱仪，简单地移动探测器位置可找到新焦面，做到运动学修正。而大色散多磁元件磁谱仪则附加四极和多极透镜进行完全补偿。k值范围越大,运动学修正能力越强。

为了完全识别重离子核反应产物，还需知道它的质量，电离电荷和核电荷等多种参量。这就要求把谱仪的磁分析同其他类型的粒子分辨技术（如飞行时间技术，E-ΔE望远镜, 见核物理实验中的粒子鉴别技术）等结合起来，所以重粒子谱仪大多数是混合的多参量测量系统。

典型的重粒子磁谱仪

分裂磁极谱仪

是20世纪60年代出现的高分辨、大立体角、宽动量量程(/=2.8)谱仪。它的光学性能良好、结构简单、造价相对较低，至今还在许多核物理实验室中使用。最近开始改进它的设计以专门适用于重离子核反应测量。在谱仪发展史中，它第一个采用分立磁极元件的设计，利用磁极缝隙的两个边界对二次像差做了完全的修正，并在整个量程保持了消色差聚焦特性。接受立体角为8～12msr。但当接受立体角大于2msr时，由于三次和更高次像差的影响，动量分辨本领明显下降。为了在全开立体角下保持原分辨率，必须使用第二个位置探测器确定料子的焦面入射角，从而对高次像差做离线修正。分裂磁极谱仪的色散小而量程宽，要求焦面探测器的位置分辨好。早期，用核乳胶作焦面探测器。现已将正比计数器-电离室混合型的多参量位置灵敏探测器用在这种磁谱仪上。这种位置灵敏探测器的位置分辨现在可达0.5mm左右,给出两个位置、两个能量损失及能量等多种信息，以用于分辨粒子和像差修正。

QDDD磁谱仪

为使谱仪适应位置灵敏焦面探测器的位置分辨，发挥高效率、高分辨的数据采集能力的优点，70年代做出一种垂直方向中间成像的大色散的QDDD磁谱仪,有时也称它们为中间像谱仪,如图1。谱仪由三块分离的二极磁铁以Q-MⅠ-DⅠ-MⅡ-DⅡ-DⅢ的光学程式构成(Q是四极透镜，M是多极透镜,而D是二极磁铁)。QDDD 型磁谱仪具有曲线的磁极边界形状和多极元件M，可对直至八次的像差作完全的修正, 所以在全部接受的立体角下（10msr）达到高动量分辨（10）。两个多极元件MⅠ、MⅡ可分别对垂直和水平方向的像差做近似独立的修正。DⅡ的出口和DⅢ的入口的作用在于把焦面拉直，直焦面对焦面探测器的设计和安排十分有利。此外，在DⅡ出口和DⅢ入口处装有锻铁片叠成的蛇形铁(或称蛇)，可用于微调边界形状。这种磁谱仪可工作在│k│≤0.5情况下。它的焦面长1m,焦面角为45°,大都采用单电阻丝室作为焦面探测器。QDDD类型磁谱仪设计指标较高，同时兼顾到分辨、色散和接受立体角几项性能，是一般核反应研究的有效工具。但这种谱仪系统结构复杂，体积庞大，造价昂贵。

分裂磁极磁谱仪和QDDD磁谱仪多用来分析轻粒子或轻的重离子，且大都配置在串列静电加速器或分离扇加速器上。

QQDQ磁谱仪

专门设计适于十分重的离子。它的最大特点是色散可变，运动学补偿范围大，谱仪内粒子飞行路程差 Δl小后者使飞行时间分辨达到Rt=400,故质量分辨很好，已可达到(A为核的质量数)。如图2所示，该谱仪由一块偏转45°的二极磁铁, 三个四极透镜Q1Q2Q3和两个六极透镜组成。Q1与Q2用来调整一次聚焦, 六极S1用来减少球面像差,六极S2用于调整焦面角。运动学修正通过大口径的Q3完成。由于这台谱仪侧重在减小飞行路程差方面，故其动量分辨指标就不如其他类型磁谱仪。k=0时,分辨为 5×10；k=1时,分辨为10。最大接受立体角1msr。焦面长50cm同谱仪中心线正交。它可以用于因子k=-1.5～0.5的运动学范围。混合型的多参量位置灵敏探测器用作焦面探测器，适用于对十分重的离子的多重粒子分辨。

小结

上述磁谱仪都是安装在轨道上，可在水平平面上绕靶旋转以改变探测入射角。此外，也还有一些其他具有不同功能的磁谱仪。

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