Spektrometr s Thomsonovou parabolou

V létě roku 2022 nás oslovil zákazník z Ústavu fyziky plazmatu AVČR s poptávkou na výrobu spektrometru s Thomsonovou parabolou. Jedná se o zařízení využívané k analýze urychlených nabitých částic a jejich rozdělení podle energie a náboje. Princip fungování je založen na vychylování přilétajících částic z jejich přímé dráhy prostřednictvím magnetického a elektrického pole a následném záznamu jejich polohy na plošném detektoru.

V případě našeho zákazníka měl spektrometr sloužit k analýze plazmatu, které vzniká v důsledku interakce vysokoenergetického laserového pulzu s pevným terčem. Hlavním cílem projektu bylo získat zařízení s větším rozlišením než doposud, čehož lze dosáhnout především vyšší intenzitou elektrického a magnetického pole. Požadavkem zákazníka dále bylo, aby byl spektrometr umístěn na pohyblivém a úhlově nastavitelném rámu tak, aby bylo možné systém jako celek dle potřeby přistavit k experimentu.

Ačkoliv je princip Thomsonovy paraboly známý přes sto let, rozložení a kvalita zpracování jednotlivých částí může mít zásadní vliv na funkčnost tohoto spektrometru. Velkou pozornost tak bylo třeba věnovat již samotnému návrhu sestavy.

Spektrometr s Thomsonovou parabolou je v jádru vakuový systém. Jeho hlavní komora byla vyrobena dle našeho vlastního návrhu a následně doplněna standardními vakuovými díly. Dosažitelná úroveň vakua se pohybuje kolem 10-6 mbar. K této komoře je přiložen výkonný elektromagnet, který je přes pólové nástavce umístněné uvnitř schopný generovat pole o síle přes 0.7 T. Dále jsou zde i elektrody pro generaci elektrického pole o síle až 50 kV a nástavec pro výměnné pinhole sloužící ke kolimaci svazku prolétajících částic.

Jako detektor jsme zvolili mikrokanálkovou destičku (MCP) od firmy Hamamatsu s 2-stupňovým uspořádáním MCP členů. Vstupní fotokatoda je umístěna ve vakuové části systému, výstupní fosforová destička pak vně vakua tak, aby se k ní dala umístit vyčítací kamera.

Spektrometr je uložen na pevném hliníkovém rámu s kolečky umožňujícími jeho pohodlný přesun. Spojení mezi vakuovou aparaturou a rámem je realizováno přes dvě hliníkové desky nad sebou, u kterých lze nastavit vzájemnou polohu a úhel, což zaručuje požadovanou nastavitelnost vstupní apertury spektrometru.