重粒子磁譜儀
重粒子磁譜儀正文
早在E.盧瑟福時代,180°單聚焦磁譜儀就被用來研究天然α衰變,這是最早的重粒子磁譜儀。原理 磁譜儀的作用在於使不同動量的帶電粒子通過磁場後在空間上分散開，並分別聚焦在位置靈敏探測器上。為達到高解析度，要求具有相同動量的粒子聚焦在探測器上的像點儘可能小。在核反應實驗中，為減少積累數據的時間，要求譜儀系統的接受立體角Ω儘可能大。如能在大接受立體角（如Ω≈10msr）下獲得良好動量解析度如Δp/p＝10-4，重粒子磁譜儀必須對二次以至高次像差進行精確修正。所以近代重粒子磁譜儀在結構上不僅採用了多個分立磁元件的組合形式，還使用了複雜邊界形狀的磁極。 為提高測量效率，不採用逐點改變磁場值的"單道"測動量譜的方法，這時譜儀要覆蓋一定的動量量程，如
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＝1.04～2.8。由於核反應出射粒子的動量同出射角度有關，則由譜儀孔徑張角內接受的粒子動量將有微小差異，從而不能嚴格聚焦在一點。這種純屬反應運動學造成的動量分散稱為運動學展寬,以因子 k量度,
p是動量,θ是粒子的出射角。在重離子核反應中，特別是重入射粒子同輕靶核的準彈性散射過程中，運動學展寬效應會十分嚴重，在全部量程內使分辨變劣。為適應各種核反應的運動學狀況，要求重粒子磁譜儀具有一定的運動學補償能力。對分裂磁極譜儀，簡單地移動探測器位置可找到新焦面，做到運動學修正。而大色散多磁元件磁譜儀則附加四極和多極透鏡進行完全補償。k值範圍越大,運動學修正能力越強。為了完全識別重離子核反應產物，還需知道它的質量，電離電荷和核電荷等多種參量。這就要求把譜儀的磁分析同其他類型的粒子分辨技術（如飛行時間技術，E-ΔE望遠鏡, 見核物理實驗中的粒子鑑別技術）等結合起來，所以重粒子譜儀大多數是混合的多參量測量系統。
典型的重粒子磁譜儀 分裂磁極譜儀 是20世紀60年代出現的高分辨、大立體角、寬動量量程(
/=2.8)譜儀。它的光學性能良好、 結構簡單、造價相對較低，至今還在許多核物理實驗室中使用。最近開始改進它的設計以專門適用於重離子核反應測量。在譜儀發展史中，它第一個採用分立磁極元件的設計，利用磁極縫隙的兩個邊界對二次像差做了完全的修正，並在整個量程保持了消色差聚焦特性。接受立體角為8～12msr。但當接受立體角大於2msr時，由於三次和更高次像差的影響，動量分辨本領明顯下降。為了在全開立體角下保持原解析度，必須使用第二個位置探測器確定料子的焦面入射角，從而對高次像差做離線修正。分裂磁極譜儀的色散小而量程寬，要求焦面探測器的位置分辨好。早期，用核乳膠作焦面探測器。現已將正比計數器-電離室混合型的多參量位置靈敏探測器用在這種磁譜儀上。這種位置靈敏探測器的位置分辨現在可達0.5mm左右,給出兩個位置、兩個能量損失及能量等多種信息，以用於分辨粒子和像差修正。QDDD磁譜儀 為使譜儀適應位置靈敏焦面探測器的位置分辨，發揮高效率、高分辨的數據採集能力的優點，70年代做出一種垂直方向中間成像的大色散的QDDD磁譜儀,有時也稱它們為中間像譜儀,如圖1。譜儀由三塊分離的二極磁鐵以Q-MⅠ-DⅠ-MⅡ-DⅡ-DⅢ的光學程式構成(Q是四極透鏡，M是多極透鏡,而D是二極磁鐵)。QDDD 型磁譜儀具有曲線的磁極邊界形狀和多極元件M，可對直至八次的像差作完全的修正, 所以在全部接受的立體角下（10msr）達到高動量分辨（10-4）。兩個多極元件MⅠ、MⅡ可分別對垂直和水平方向的像差做近似獨立的修正。DⅡ的出口和DⅢ的入口的作用在於把焦面拉直，直焦面對焦面探測器的設計和安排十分有利。此外，在DⅡ出口和DⅢ入口處裝有鍛鐵片疊成的蛇形鐵(或稱蛇)，可用於微調邊界形狀。這種磁譜儀可工作在│k│≤0.5情況下。它的焦面長1m,焦面角為45°,大都採用單電阻絲室作為焦面探測器。QDDD類型磁譜儀設計指標較高，同時兼顧到分辨、色散和接受立體角幾項性能，是一般核反應研究的有效工具。但這種譜儀系統結構複雜，體積龐大，造價昂貴。
重粒子磁譜儀QQDQ磁譜儀 專門設計適於十分重的離子。它的最大特點是色散可變，運動學補償範圍大，譜儀內粒子飛行路程差 Δl小
後者使飛行時間分辨達到Rt=400,故質量分辨很好，已可達到
(A為核的質量數)。如圖2所示，該譜儀由一塊偏轉45°的二極磁鐵, 三個四極透鏡Q1Q2Q3和兩個六極透鏡組成。Q1與Q2用來調整一次聚焦, 六極S1用來減少球面像差,六極S2用於調整焦面角。運動學修正通過大口徑的Q3完成。由於這台譜儀側重在減小飛行路程差方面，故其動量分辨指標就不如其他類型磁譜儀。k=0時,分辨為 5×10-4；k=1時,分辨為10-3。最大接受立體角1msr。焦面長50cm同譜儀中心線正交。它可以用於因子k=-1.5～0.5的運動學範圍。混合型的多參量位置靈敏探測器用作焦面探測器，適用於對十分重的離子的多重粒子分辨。 
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