[0001] 本发明属于光学探测应用领域，具体涉及一种高能粒子探测光学系统。

[0002] 高能粒子，是现代粒子散射实验中的炮弹，是研究物质基元结构的最有用的工具。早期的高能粒子来源于天然放射性元素如铀、镭等放出的高能射线，如卢瑟福证明原子有核模型的散射实验就是镭放出的α粒子，后来居里夫人发现了人工放射性并获得了诺贝尔获，赫斯发现了能量极高的宇宙射线，与正电子的发现者安德森共同获得了诺贝尔获。

[0003] 从50年代开始，粒子加速器和对撞机等现代大型实验装置应运而生，大批粒子被不断发现，被加速的粒子能量越来越高。探测高能粒子的基本原理就是依据带电粒子与物质原子的电离或者激发作用，不同粒子有不同电离强度与动量的关系曲线。同时，由于各种粒子本身性质不同，如强子、光子和轻子等，在探测方法上也千差万别。

[0004] 针对市面上现有光学系统不能满足核反应堆强辐射、空间光环境复杂和大视场范围粒子探测要求，发明一种能满足核反应堆高能粒子探测的仪器设备或者光学系统，对研究高能粒子的相关物理特性，具有重要的应用价值。

[0032] 为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0033] 本实施例中高能粒子探测光学系统由物面、成像组、保护窗口、中继镜组、校正镜组和探测器组件组成，光线由物面出射，经过所述成像组、保护窗口、中继镜组和校正镜组后，由所述探测器组件接收。如图1所示，除探测器组件和物面外，共13片透镜和1片保护窗口，其中物面大小为100mm*100mm，距离第一负透镜前表面顶点250mm。

[0034] 如图2所示，成像组包括第一负透镜2、第二负透镜3、第一正透镜4和第二正透镜5，共4片透镜。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。

[0035] 如图3所示，保护窗口6材料为石英玻璃，厚度为10mm，保护窗口6前表面到第二正透镜5后表面顶点距离为70mm。中继镜组包括第三正透镜7、第四正透镜8和第五正透镜9。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。

[0036] 如图4所示，校正镜组透镜包括第三负透镜10、第六正透镜11、第七正透镜12、第八正透镜13、第四负透镜14和第五负透镜15。以上透镜顺次排列，各透镜同光轴，用透镜外框上的机械组件固定它们之间的相对位置。

[0037] 成像组、保护窗口、中继镜组、校正组和探测器组件通过透镜外框上的机械组件按一定间距固定连接。

[0038] 本实施例的具体优化措施为应用光学设计软件CODEV构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，对透镜片数、透镜曲率半径、透镜间隔和透镜材料逐步优化为现有结果。

[0039] 本实施例可以通过以下技术措施实现：波长范围为400nm～550nm,视场角40度，入瞳直径10mm，系统F数为4，系统总长2085mm，畸变小于3％，全视场在25线对/mm所对应的MTF≥0.5，其各透镜的具体参数如下：

[0040]

[0041]

[0042] 对本实施例制作的中波红外光学系统采用以下两种评价手段进行评价：

[0043] 1、畸变评价

[0044] 畸变是指光主光线的实际角放大率不等于+1时，即像方主光线不和物方主光线平行时，像方主光线和理想像面的交点不和理想像点重合，这种现象称为畸变。在只存在畸变的情况下，这些点落在与光轴垂直的平面上，但是与光轴的距离是不对的。存在畸变时，图像很清晰，但是有错位。对于设计的中波红外光学系统，畸变值如图5所示，随视场变化，最大畸变值为2.1％。

[0045] 2、MTF评价

[0046] 调制传递函数，简称MTF(modulation transfer function)，也叫模量传递函数，光学镜头把自然界的光信息传递到胶片或者探测器上。光波包括光的波长、频率、位相，所谓“模量”，即光波振幅大小的量值。模量传递函数描述的正是光信息在通过光学媒质(如空气)和光学器件(如镜头)的传递过程中，它的强弱随空间位置变化规律而改变。调制度的定义为：最大亮度与最小亮度的差与它们的和的比值。镜头的MTF值，可以反映除畸变外的所有像差，而且与实际成像结果非常吻合。对于设计的波红外光学系统，全视场MTF曲线如图6所示，在25线对/mm所对应的MTF≥0.5，成像质量优良。

[0047] 本发明高能粒子探测光学系统工作过程为：高能离子束在磁场中偏转并轰击ZnS闪烁体的某些区域，该区域会发出荧光，将ZnS闪烁体待测区域置于光学系统前方物面，高能粒子轰击ZnS闪烁体后发出的荧光经成像组成像后穿过保护窗口，进入中继镜组，中继镜组为三片相同的双凸正透镜，经中继镜组转像后进入校正组，最后由校正组将辐射能量成像到探测靶面。探测器组件将接收的辐射能量转换成相应的电信号，该电信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法转变为被探测高能粒子灰度图像。

[0048] 本发明高能粒子探测光学系统除探测器组件外，共13片透镜和1片保护窗口，所有透镜为球面，通过优化各个透镜半径和厚度参数，得到了像质优良，结构参数符合实际要求的系统。系统总长2085mm，采用本系统探测时可与核反应堆内部实现较好的物理隔离，有利用保护操作人员，另外极高的成像质量能够很好的满足核反应堆中高能粒子探测需求。