Thomson Parabola Spectrometer (TPS)

전기장과 자기장을 이용하여 Ion beam을 종류, 에너지, 구분에 따라 분류한 뒤 MCP 및 Phosphor를 이용하여 신호를 증폭시켜 이온의 에너지 스펙트럼을 얻는 분석 장치이다. 

 

Operation principle of the Thomson parabola spectrometer a) Schematic of the experimental set-up where laser accelerated charge particle beams from by the entrance pinhole of the spectrometer passing through parallel electric and magnetic fields and tracing parabolas in the detection plane for the ions with equal Z/M ratios. b) Thomson parabolas of C-ions and protons, and their intersection with a constant velocity aline, a constant energy per charge line and constant momentum per charge line.

 

레이저와 타겟의 상호작용으로 발생한 이온들은 핀홀을 지난 후 detector 방향으로 진행한다. 진행 경로에 설치된 자석과 전극 사이를 통과하며 각각 자기장과 전기장의 영향을 받아 진행 방향이 휘어진다. 이온이 가진 전하량, 질량에 의해 편향되는 정도가 다르므로 이를 전기장에 의한 electric deflection 자기장에 의한 magnetic deflection을 X,Y 축으로 갖는 평면에 이온들의 궤적을 나타낼 수 있다. 

 

q는 전하, E와 B는 각각 전기장과 자기장, K는 운동에너지, m은 질량, dM과 dE는 자석과 전극의 길이이다.

 

TPS의 구성은 하나의 챔버 안에 pinhole부터 detector까지 alignment된 setup이 존재하며 이 중 전극과 자석은 하나로 결합된 일체형과 독립적으로 구분된 분리형 두 가지 경우로 나뉜다.

전극에 HV를 걸어주어야 하기 때문에 관리 면에서 분리형으로 구성하는 것이 좋다. 

또한 이온 관측을 위해 Roughing Pump와 Torbo Molecular Pump로 high vacuum까지는 진공을 유지시키는 것이 좋다.

이온들은 핀홀과 전극 그리고 자석을 지나 detector 쪽에서 검출이 이루어진다. 이온검출을 위해 주로 MCP, CR-39 혹은 imaging plate 등을 설치 한다. 

MCP는 phosphor와 CCD를 함께 설치하여 광전자를 증폭시켜 궤적을 확인할 수 있으며, 

CR-39는 aching과 같은 후처리 작업을 통해 에너지 및 궤적을 확인할 수 있다.

또한, 자장 분포 및 이온의 전체 궤적을 실험 데이터와 비교 검증하기 위하여 사용할 수 있는 여러가지 simulation tool이 존재한다.

CST stuio suite, Radia (in mathematica), COMSOL, Geant4, SIMION 등 유용한 tool이 있지만 오픈소스로 사용 가능한 것은 Geant4가 유일하다. 

Geant4는 자유도가 높아 활용도가 다양하다는 장점이 있지만 동시에 이것이 단점으로 작용한다. 높은 자유도는 곧 무수히 많은 함수와 이 함수들을 어떻게 '잘' 사용할 수 있는지에 대한 고민이 동반될 것이다. 

---

Reference

1. Design of a Thomson Parabola Spectrometer for the Detection of Laser-Accelerated Protons and Ions. P. Bellido∗, M. Seimetz, R. Lera, A. Ruiz de la Cruz, S. Torres-Peiro, A. J. Gonz ´ alez, F. S ´ anchez, L. Roso and ´ J. M. Benlloch

2. Instrumentation for diagnostics and control of laser-accelerated proton (ion) beams. P.R. Bolton, M. Borghesi, C. Brenner, D.C. Carroll, C. De Martinis, F. Fiorini, A. Flacco, V. Floquet, J. Fuchs, P. Gallegos, D. Giove, J.S. Green, S. Green, B. Jones, D. Kirby, P. McKenna, D. Neely, F. Nuesslin, R. Prasad, S. Reinhardt, M. Roth, U. Schramm, G.G. Scot, S. Ter-Avetisyan, M. Tolley, G. Turchetti, J.J. Wilkens