New Detector System for On-Line Measuring Charge State and Energy of Low Velocity Ions

基于加速器装置的载能离子束与物质相互作用研究，对于深入认识原子分子结构、原子核奇特结构、核反应机制与重元素起源，检验量子力学理论等基础物理问题方面起到了至关重要的作用^[1]；同时在材料、生物、生命科学等领域也有着重要应用，如：耐辐照材料研发、纳米材料制备、重离子治癌、辐射诱变育种等^[2-5]。随着等离子体技术的发展，离子束与具有离化特性的物质相互作用研究得到了极大的拓展，例如：惯性约束聚变中的离子束快点火、聚变反应的$ \alpha $粒子自持燃烧过程等^[6-7]。

在当前认识中，理论计算的离子束在物质中的能量沉积，常通过Bethe模型描述 ^[8]：

其中：z为入射粒子电荷数；m_e为电子静止质量；v为入射粒子速度；N为靶物质单位体积内的原子数；Z为靶物质的原子序数；I为靶物质平均激发能。离子束能量较高时，电子能量损失占主导地位，Bethe模型可以比较准确地计算离子束的能损^[9]。随着离子能量的下降或者靶物质原子密度的升高，炮弹离子与靶物质相互作用的过程中电荷态发生剧烈变化，需要加入更多的模型修正，如Lindhard等^[10-11]提出的密度效应的电荷态修正，Grande等^[12]针对外壳层电子的屏蔽效应提出的有效电荷修正等等。

在载能离子与物质相互作用过程的实验研究中，高精度测量出射离子束信息是一件极其重要的工作，具体测量的内容包括：出射离子束的种类、电荷态分布和对应的能谱，以及束流的强度、脉冲时间结构等等。测量离子能量的方法主要有：次级粒子法，通过测量离子与物质作用产生的二次粒子能谱追溯离子的能量沉积过程^[13]；微量热法，精确测量靶上的温度变化给出离子的能量沉积大小^[14]；离子飞行时间法，测量离子通过两个具有空间位置差异的探测器的时间差，得出离子的飞行速度与对应的动能大小^[15]；多普勒频移法，测量离子在靶物质中速度慢化过程所发射的特征谱线的细微移动，给出其速度的变化^[16]；以及磁谱分析法，根据洛伦茨公式给出的带电粒子在磁场中运动轨迹与离子的电荷态及其动量的函数关系，通过准确测量离子的位置信息追溯其电荷态与能量信息^[17]。1994年Scheidenberger等^[18]首次运用磁谱分析方法，使用多丝正比室作为离子探测单元，测量了相对论能量的Xe离子在铀中的能量沉积；1998年Gardes等^[19]利用相似的方法测量了碘离子束穿过氢气靶后的能量沉积和电荷态分布，尝试将能量沉积和电荷态演化问题一同研究，实验中使用的是闪烁体探测器与电荷耦合器件(CCD)相机构成的离子探测系统，得到的束流能谱分辨率为1%。最近，一种特殊的磁谱仪——汤姆逊谱仪，在激光等离子体实验中得到广泛应用。2011年Jung^[20]等提出将汤姆逊谱仪应用于诊断强激光加速的离子束；2018年Zhang等^[21]对汤姆逊谱仪进行了改进，使能量分辨从5%提高到了2%；2020年Ren等^[22]运用汤姆逊谱仪诊断激光加速产生的质子束在稠密等离子体中的能量损失信息。汤姆逊谱仪的优点是具有同时测量多种离子和对应能谱的能力，且能谱测量范围很广。然而，因为要实现较高的能量分辨，汤姆逊谱仪的入口狭缝很小，对入射离子的流强要求极高，因此仅适用于激光加速的强脉冲离子束条件。相比较而言，传统的磁谱仪装置的特点是：结构相对简单，参数可调范围广，能谱范围较窄，能量分辨高等；在应用微通道板(MCP)作为离子探测器时，可以测量低强度的离子，适用于低流强离子束实验。Wang等^[23-24]、Zhao等^[25]基于中国科学院近代物理研究所的离子束与等离子体相互作用平台，已经利用磁谱仪与MCP为灵敏面的探测器系统对离子与气体和等离子体作用过程能损与电荷态分布等开展了实验的测量工作，取得了高精度的实验数据结果。

本文我们将介绍一种改进的磁谱仪离子探测器，其同时具备宽的能谱探测范围与高的能谱分辨率，可以用于在线测量中低能区离子束相关实验的离子能谱，以及出射离子的电荷态分布等重要信息。我们对磁谱仪进行模拟，并利用HIRFL装置提供的单能离子束开展实验标定，最终给出该磁谱仪系统的具体探测精度与能量分辨率。

以传统的磁谱分析方法为物理基础，我们自主研发了超大面积位置灵敏探测器单元，配合宽出射口偏转磁铁装置，实现低能区离子的电荷态分布与对应能谱测量，图1为该离子探测器系统的构成示意图。

本探测器系统的前端是一台高稳定性的二极偏转磁铁，偏转角度45°，半径1 m，设计磁刚度最高可达1.2 Tm，磁铁内间隙尺寸28 mm；内部的磁场均匀性好于99%；激励电流范围0~300 A，电源的稳定性好于0.03%。图2(a)是磁铁电流为300 A时的磁感应强度模拟数值。磁铁加工完成后在原位开展测磁工作，在磁感应强度低于0.94 T的范围里，得到了磁铁中心部位的磁感应强度与激励电流之间的关系为$B=0.004\,196\left(4\right)\times I+0.002\,8\left(4\right)$，结果如图2(b)所示。偏转磁铁的真空腔室入射端口为标准CF100法兰，而出射端口采用了“鸭嘴”的非标结构设计，可以实现偏转磁铁与大面积位置灵敏探测器的高效耦合。具体来讲，在45°偏转出射方向上，真空腔室的出口匹配了500 mm × 20 mm的矩形法兰，为实验测量不同出射电荷态与不同能量的离子留出测量空间。在0°直通端方向上，通过CF100法兰继续连接束流诊断等装置。

超大面积位置灵敏探测器，是由MCP、荧光屏和CCD相机组成。主要的工作原理是：经过磁场偏转后的离子轰击MCP表面产生二次电子，之后电子在MCP中倍增放大，接着出射的电子轰击到荧光屏上，在相应的位置激发荧光，最后利用特定焦距的CCD相机捕获荧光屏图像。我们重新设计了MCP与荧光屏的结合方式，并将探测器灵敏面长度从传统的40 mm扩展到了400 mm，极大地提升了探测的灵敏面空间尺寸。MCP的通道直径21 μm，通道间距25 μm，斜切角6°，厚度1.2 mm，通过切割拼装等方式组成所需的大面积MCP阵面。为保证MCP工作在线性工作区，实验中控制最大入射离子流强为0.3 enA。匹配MCP阵面尺寸的荧光屏，经历了模具浇筑、表面抛光、导电基底蒸镀、沉积P20荧光粉等一系列工艺。最后端的CCD相机选用的DMK38UX267，像素4 096×2 160，动态范围12 bit，增益0~48 dB可调，配备外触发功能。超大灵敏面离子探测器的真空腔室的入口端采用“鸭嘴”设计，同偏转磁铁真空腔室的出口尺寸匹配。在45°方向上，离子从磁场区边缘到达离子探测器MCP前表面的漂移区长度为350 mm。探测器腔室出口部位安装有长条形高透光玻璃法兰窗，实验中通过该法兰窗将腔室内探测器的荧光屏成像于腔室外CCD相机的焦平面上，实现对离子位置的测量，耦合后的CCD相机的空间分辨为100 μm/像素。

首先，公式解析计算离子在磁谱仪中的运动径迹。在新探测器的设计尺寸下，载能离子受到洛伦兹力发生偏转后打在探测器上的位置(出口端最内测设置为零点，如图3所示)与离子动能间关系为

其中：E、m和q分别为离子的动能、质量和电荷态；B是偏转磁铁的磁感应强度；x是离子在探测器上的位置。上式假定设计中的磁场是被完整封闭于磁铁范围以内，而且具有很好的均匀性，但是实验中的磁场是存在不均匀性的，尤其是在磁铁边缘存在强烈的磁感应强度的变化，并有可能影响离子在探测器上的位置。

我们利用离子运动径迹模拟程序LISE++软件，计算了磁谱仪离子探测器中离子的运动轨迹。使用的模块为Brho(Erho)Analyzer，该模块的输入量主要有偏转磁铁参数，如磁感应强度、偏转半径、偏转角度、漂移区长度等等，还可以调整入射离子种类、能量、电荷态、动量发散、束斑尺寸等。根据上面提到的磁铁设计参数(如图3所示)，我们计算了45°偏转角度、半径1 000 mm、磁感应强度0.044 76 T (根据测量的磁铁中心磁感应强度设定)、漂移区长度350 mm的条件下，入射能量为520 keV的He²⁺入射离子，到达探测器灵敏面上的出射离子横向位置分布，对应的值为x = 378 mm。在上述参数的实验中，测量离子的位置为x = 356 mm，该数值与软件计算存在比较大的偏差。我们使用专业软件OPERA计算了二极磁铁的磁场，估算其边缘场效应导致离子在飞行路径上感受到的平均磁感应强度比磁铁中心的磁感应强度高大约5%，这可能是LISE软件模拟结果和实验测量偏差的主要来源。因此在实际使用该磁谱仪离子探测器之前，有必要利用离子束开展标定工作，通过式(2)给出探测器的位置信号与离子的能量之间的定量关系。

基于中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态离子综合研究平台，实验引出了不同能量的He^q+(q = 1, 2)、O^q+(q = 1~5)、Ne^q+(q = 1~5)等离子束，开展了本磁谱离子探测器的在线标定工作。实验装置的示意如图4(a)所示，14.5 GHz全永磁的电子回旋共振(ECR)离子源产生所需离子，被高压平台加速(20~320 q)到所需的能量，经过一系列的束流传输装置到达作用靶区域。实验中可根据需要提供不同状态的气体或者等离子体作为靶物质，用以探索离子束与气体和等离子体相互作用的物理过程。与靶作用后的出射离子，进入到磁谱离子探测装置，即通过45°偏转磁场后到达探测器的灵敏面位置，相应的离子的位置图像由CCD相机获取。另外，在0°直通端还设置有束线准直以及其它在线离子诊断装置。

图4(b)所示为能量520 keV的He²⁺经过偏转磁铁点亮探测器荧光屏的照片，左边靠近直通端方向，由上到下分别对应磁铁激励电流由10 A增加到22 A。可以看到，随着激励电流增加磁场增强，离子向探测器右侧移动；当电流达到并超过20 A，相同能量的He⁺离子成分也开始出现；图4(c)所示为通过图4(b)得到的各个离子在探测器上的空间位置与对应的强度信息。

由式(2)可知，利用特定能量的离子开展在线标定工作，实际上就是测量离子路径上的平均磁感应强度与磁铁的激励电流之间的关系，该平均磁感应强度包含了边缘场效应和磁铁机械误差等影响。图5(a)给出了标定的结果，其中的实验数据点的横坐标是磁铁的激励电流，而纵坐标代表载能离子在探测器上的位置代入式(2)计算得到的磁感应强度。拟合结果可以看到，考虑到边缘畸变以后的平均磁感应强度依然与电流有很好的线性关系，即$B=0.004\,454\left(3\right)\times I+0.002\,9\left(2\right)$。统计拟合结果可以得到平均磁感应强度的均方根(RMS)为$\sqrt{ \overline{{{ \Delta B}^{2}}}}= 6\times {10}^{-4}\;\mathrm{T}$，表示统计结果下磁感应强度拟合值与实验值的偏离程度，用来代替$ \Delta B $。根据式(2)可以推导出磁感应强度误差引起的能谱测量误差是$ \Delta E/E=2\Delta B/B $，意味着对于特定能量E的离子，采用更高磁感应强度B对应更好的能谱测量精度$ \Delta E $。新研制的磁谱仪离子探测器，能达到的最高磁感应强度为B_max=1.2 T，此时对应最好的能谱相对精度为$ \Delta E/E= $0.1%。

在本文的标定实验中由于离子能量有限，磁铁最大磁感应强度只加载到0.7 T。在标定了平均磁感应强度与激励电流间关系之后，我们就可以给出特定电流和入射离子种类的条件下，探测器位置信号与入射离子能量之间的关系。如图5(b)所示，给出了10和20 A的磁铁电流条件下，质子(或者相同q²/m的离子)的探测器位置与能量间的对应关系。这就意味着，未来的质子(或者相同q²/m的离子)实验中，我们可以通过式(2)[或者图5(b)的曲线]直接从探测器的位置信号得到离子的能谱，而无需其他模拟软件的帮助，这也正是本次标定工作的意义所在。

实验测量中，探测器上的离子斑点尺寸的大小(转换到能谱图即为能谱展宽)与很多因素有关，包括：入射离子束能量的展宽、仪器加宽、束流发散度、MCP表面离子溅射等。我们在磁谱仪入口前方放置了一个四象限光阑和两个间隔2.5 m、孔径2 mm的限束小孔，一方面尽量减小离子束斑尺寸，一方面约束离子束的发散角约为0.045°。同时，我们尽量降低离子束流强，减小离子轰击在MCP表面时造成的二次电子/离子溅射。对260 keV质子实验，选择展宽最小的能谱进行分析，如图6所示，高斯拟合得到的半高宽为2.1 keV，对应约0.8%的能量分辨率。此时，探测器上的图像宽度为1.8 mm，略小于限束孔尺寸。由此可见，此时能谱展宽的主要原因是入射离子束的束斑大小。这也意味着，随着限束孔孔径的减小，探测器能谱分辨率还有提高的可能。但是考虑到实验中束流调节的难度、离子束与等离子体相互作用实验需求、以及探测器灵敏度等因素，我们选择固定2 mm的限束孔孔径。

值得一提的是，磁谱仪离子探测器的标定曲线，在实验装置固定后将仅与磁铁电源品质相关，而曲线的误差、最佳相对精度0.1%和能谱分辨率0.8%，和实验中使用的离子束种类、能量、束流品质(如：发散角、能散等)、实验平台条件(如：限束孔孔径、磁谱仪安装机械误差、电流源稳定性)等因素相关。因此，未来的实验工作在使用该磁谱仪离子探测器的时候，需要考虑实际情况对标定曲线和品质参数进行调整。

本文介绍了一种新型磁谱仪离子探测器，可实现中低能区离子的电荷态分布与离子能量的同时测量。该磁谱探测系统主要由大面积位置灵敏探测器、高稳定性偏转磁铁与特殊形状的真空耦合部件构成。基于中国科学院近代物理研究所的高电荷态离子综合研究平台提供的多种离子束，我们对该磁谱探测系统开展了在线标定工作，获得了探测器位置信号与离子能谱之间的定量关系，同时给出了定标实验条件下该探测系统的最佳能谱精度和能量分辨率分别为0.1%和0.8%。该磁谱仪离子探测器为未来系统性开展中低能区高电荷态离子与气体及等离子体靶相互作用实验研究提供了新的高精度测量条件。

致谢 本实验得到了国家重点基础研究发展计划(Grant No.2022YFA1602503)和国家自然科学基金资助项目(Grants No.12120101005, No. 11505248, No.11375034)的支持。本文的在线实验，是在中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态综合研究平台工作人员的大力协助下完成的，特此向他们表示衷心的感谢。