一種加速器質譜裝置及加速器質譜的製作方法
2023-12-03 20:09:26
專利名稱：一種加速器質譜裝置及加速器質譜的製作方法
技術領域：
本發明屬於加速器質譜技術領域，具體涉及一種基於低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及加速器質譜14C測量方法。
背景技術：
加速器質譜(AMS)作為一項具有超高靈敏度的分析技術已廣泛應用於地球科學、考古學、生命科學、環境科學、天體物理學和材料科學等領域。AMS裝置主要測量14C等放射性核素與其穩定同位素的比值，從而進行測年或示蹤等研究，它利用加速器將待測核素離子加速到較高能量，可以有效地抑制分子離子和同量異位素幹擾，達到超高靈敏度。AMS性能主要為測量精度、靈敏度和測量效率。
一般AMS裝置包括離子源、注入系統、加速器、高能分析系統和離子探測器。加速器普遍採用串列靜電加速器和串列高頻高壓加速器。這兩類加速器均用高壓電極與地電位之間產生的高壓電場加速離子，高壓電極和加速管需要放在鋼筒中，鋼筒中充有高壓SF6氣體進行絕緣，顯然使用SF6氣體不利於環境保護。為保證絕緣效果，還需要氣體循環乾燥處理等較為複雜的裝置。為保證測量精度需將不同同位素離子都通過加速器進行加速，但這類加速器束載能力較低，需要一套比較複雜的交替注入系統，以使具有較高流強的穩定同位素只在短時間內注入加速器。亦有人採用同時注入的方法，但其注入系統更為複雜，需先將不同同位素離子分開，對具有較高流強的穩定同位素離子束流進行衰減，然後再將不同同位素離子匯合起來注入到加速器中。這種同時注入方法的測量本底較高，相應的高能分析系統也比較複雜。
最近出現了一種Single Stage AMS(SSAMS)裝置，這種裝置採用300kV單級靜電加速管，不需要鋼筒，但有部分裝置不可避免地要處於高電位上，運行操作不便，有一定的局限性，且由於能量太低而使測量靈敏度受到一定影響。
還有一種小型回旋加速器也被用於AMS，基於這種加速器的AMS由於傳輸效率的制約，使測量精度和測量效率都偏低。
發明內容
本發明克服了上述各種加速器質譜裝置存在的問題，提供一種基於低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及加速器質譜14C測量方法，可提高測量效率。
本發明的技術內容一種加速器質譜裝置，包括離子源、聚束器、射頻四極場(RFQ)加速器、電子剝離器、高能分析系統以及探測器，上述部件按順序聯接，RFQ加速器分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行電子剝離，可消除分子離子幹擾。
在聚束器和RFQ加速器之間設置聚焦透鏡，離子源引出的連續束流分別被縱向聚束和橫向聚焦後注入到RFQ加速器中。
RFQ加速器之後連接一電子剝離器，該電子剝離器處於地電位和開放空間位置。
在RFQ加速器和電子剝離器之間可設置聚焦透鏡。
高能分析系統包括一個分析磁鐵，分析磁鐵後有穩定同位素測量用法拉第杯用於測量12C、13C。
高能分析系統還可包括一個靜電分析器或交叉場分析器。
本加速器質譜裝置還需包括控制系統，通過計算機控制整個裝置的運行，實現不同同位素離子的交替加速，以及進行數據處理。
本加速器質譜裝置相應的加速器質譜14C測量方法是1)離子源引出的連續束流被聚束成脈衝束流注入到RFQ加速器中；2)通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，實現14C、12C、13C三種離子的交替加速；3)經電子剝離後，14C、12C、13C正離子分別由高能分析系統中的法拉第杯和探測器進行測量。
本發明的技術效果本發明是射頻四極場(RFQ)加速器應用於AMS領域的技術，具有以下優點1)不再需絕緣氣體SF6，從而省去高壓容器及氣體循環乾燥處理等一系列裝置，簡便且有利於環境保護；2)在保證測量精度和效率的前提下，不再需要複雜的快交替注入系統或同時注入系統；3)電子剝離器處在地電位，維護操作方便且可嘗試多種剝離技術；4)高能分析系統簡單；5)整體結構體積小巧，操作簡便。
下面結合附圖，對本發明做出詳細描述。
圖1RFQ加速器的電極結構示意圖；a)電極的橫截面圖；b)電極的縱向剖面圖；圖2本發明基於RFQ加速器的加速器質譜裝置的結構示意圖。
1-離子源；2-聚束器；3-單透鏡；4-RFQ加速器；5-電子剝離器；6-分析磁鐵；7-法拉第杯；8-靜電分析器；9-固體探測器。
具體實施例方式
與其他AMS系統的主要區別是本發明採用了RFQ加速器。RFQ加速器具有束流傳輸效率高，體積小巧等特點，但其輸出束流的能散較大，一般在1％左右。根據AMS技術的要求，RFQ加速器出口處的14C束流能散最好小於0.5％。本發明採用外聚束RFQ加速器，通過在RFQ加速器前端加聚束器進行脈衝束流注入，同時在RFQ加速電極的設計中採用增大加速段同步相位和減小加速段電極調製係數m(參見圖1)等措施，可以實現RFQ加速器輸出束流的低能散特性。這樣即可使能散得到顯著的改善，同時也使RFQ尺寸減小，功耗降低。另外，RFQ加速器本身即可作為一級分析器，可有效分離14C、12C、13C三種同位素離子，不再需要注入預分析磁鐵以及快交替系統或同時注入系統，使AMS注入系統大大簡化，可只包含一個聚束器和一個單透鏡。
在AMS裝置中使用RFQ加速器所帶來的一個好處是，其後連接的電子剝離器處於地電位和開放空間中，而不像一般AMS系統的剝離器在高壓電極內的高電位上，從而維護操作方便且可嘗試多種剝離技術。
在AMS裝置中使用RFQ加速器所帶來的另一個好處是，儘管採用同時注入方法，由於其12C、13C幹擾本底較低，高能分析系統可以比較簡單，例如只包括一個分析磁鐵和一個靜電分析器。為保證同位素比值測量的精度，不同同位素離子都要通過高能分析系統中的分析磁鐵。分析磁鐵後有穩定同位素測量用法拉第杯用於測量12C、13C，而14C則用探測器測量。
本發明的特殊測量方法為直接利用RFQ加速器對不同荷質比的離子具有很強的傳輸選擇性，實現不同同位素比值的測量。一般AMS系統通過快交替注入實現14C、12C、13C三種同位素離子的比值測量，即交替改變注入磁鐵真空盒上的高壓，使不同質量的同位素具有不同的能量從而可以順序注入串列加速器。而RFQ加速器對於14C、12C、13C三種離子的傳輸有很強的選擇性，根據RFQ加速器對14C、12C、13C三種離子的選擇性，分別採用不同的射頻電磁場功率來加速其中一種離子，在這一功率下，其他兩種離子基本得不到加速，從而被分離，即在相同加速器參數下，只有一種粒子可得到所需能量，另外兩種粒子不僅所得能量低，而且傳輸效率差。因此，本發明通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，來交替加速14C、12C、13C三種離子，以使其達到相同的能量，經電子剝離、分析磁鐵分析後分別加以測量。
離子源、高能分析系統和探測器均可採用美國NEC公司的基於串列加速器的小型化AMS系統相似的設計，離子源採用多靶位濺射負離子源，高能分析系統由一個分析磁鐵和一個靜電分析器組成，探測器採用金矽面壘固體探測器。
圖2所示為具體實施本發明的一個例子，下面對該實施例的各主要部件做具體說明1、離子源離子源1可選用AMS系統常用的多靶位銫濺射負離子源，其作用為將石墨樣品轉化為具有一定能量的帶電離子束。採用負離子可消除14N的同量異位素幹擾。
2、聚束器在聚束器2和RFQ加速器之間設有聚焦透鏡3。從離子源引出的連續束進行縱向聚束和橫向聚焦並注入到RFQ加速器，14C、12C、13C三種離子同時注入。
1)聚束器聚束器可採用雙漂移諧波聚束器，離子源引出的直流束經此聚束器成為脈衝束之後再進入RFQ加速器，可以有效縮短RFQ加速器的長度和降低輸出束流的能散。
2)單透鏡可選擇通用型單透鏡，其作用是使束流橫向聚焦，與RFQ加速器入口處進行匹配。
3、RFQ加速器RFQ加速器4採用微翼型結構，可分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行剝離，消除分子離子幹擾。
1)加速能量通過對不同能量下氣體剝離效率和加速器後分析系統要求的綜合分析，加速能量可選擇0.4MV。
2)極間電壓綜合考慮能耗和特徵半徑，極間電壓選50kV。
3)工作頻率綜合考慮聚焦和加速長度，工作頻率選108MHz。
4)能散通過束流動力學優化設計，能散可減小至0.6％。
5)傳輸效率對選定的離子，模擬計算給出的傳輸效率可達100％。
4、電子剝離器電子剝離器5在緊接RFQ加速器之後，可以是一套循環剝離系統，即剝離氣體可通過一個分子泵循環使用，從而使加速器中和束線中的真空保持在儘可能高的狀態。負離子通過剝離器後被剝離成正離子，分子離子如13CH+不穩定，發生離解，其碎片質量與14C不同，在以後的分析器中的軌跡也不相同，從而被分離。RFQ加速器與電子剝離器之間有一個聚焦透鏡，可對RFQ加速器出口束流進行橫向聚焦。
5、高能分析系統高能分析系統可包括一個分析磁鐵6和一個靜電分析器8，束流光路設計應使其結構緊湊，不包含任何額外聚焦元件。分析磁鐵後有穩定同位素測量用法拉第杯7用於測量12C、13C。高能分析系統可有效抑制各種幹擾離子，保證探測器只對14C離子進行計數。
6、探測器在高能分析系統的靜電分析器之後，用固體探測器9對14C進行計數。
7、控制系統通過計算機控制整個裝置的運行，實現不同同位素離子的交替加速，以及進行數據處理，計算14C/12C與14C/13C比值。
權利要求
1.一種加速器質譜裝置，包括離子源、聚束器、射頻四極場(RFQ)加速器、電子剝離器、高能分析系統以及探測器，上述部件按順序聯接，RFQ加速器分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行電子剝離，可消除分子離子幹擾。
2.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特徵在於在聚束器和RFQ加速器之間設置聚焦透鏡，離子源引出的連續束流分別被縱向聚束和橫向聚焦後注入到RFQ加速器中。
3.如權利要求1或2所述的加速器質譜裝置，其特徵在於RFQ加速器之後連接一電子剝離器，該電子剝離器處於地電位和開放空間位置。
4.如權利要求3所述的加速器質譜裝置，其特徵在於在RFQ加速器和電子剝離器之間可設置聚焦透鏡。
5.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特徵在於高能分析系統包括一個分析磁鐵，分析磁鐵後有穩定同位素測量用法拉第杯用於測量12C、13C。
6.如權利要求5所述的加速器質譜裝置，其特徵在於高能分析系統還包括一個靜電分析器或交叉場分析器。
7.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特徵在於還包括一控制系統，通過計算機控制整個裝置的運行，實現不同同位素離子的交替加速，以及進行數據處理。
8.一種加速器質譜14C測量方法，包括1)離子源引出的連續束流被聚束成脈衝束流注入到RFQ加速器中；2)通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，交替加速14C、12C、13C三種離子；3)經電子剝離後，12C、13C、14C正離子分別由高能分析系統中的法拉第杯和探測器進行測量。
全文摘要
本發明提供了一種基於低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及相應的加速器質譜
文檔編號G01N27/00GK1916622SQ200510086258
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月19日 優先權日2005年8月19日
發明者陳佳洱, 郭之虞, 劉克新, 方家馴, 謝誼, 顏學慶 申請人:北京大學