專利名稱：雙注入串列加速器質譜計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于加速器質譜計結構的改進。
(1).單一交替注入系統(tǒng) 目前在國際上近五十臺AMS裝置中，絕大多數(shù)采用被稱為“能量跳躍磁鐵(bouncer magnet)”的交替注入系統(tǒng)。這種技術最早由K.H.Purser等提出[K.H.Purser et al.，inProc.1st Conf.On Radiocarbon Dating with Accelerators(1978)165]。后在商品化的AMS裝置中也都采用了“能量跳躍”注入系統(tǒng)，如GIC公司生產(chǎn)的加速器質譜計(Ionex 2500-C型)和美國國家電氣公司(NEC)的加速器質譜計(Pelletron model 9SDH-2型)產(chǎn)品。應該說交替注入模式分析14C已達到了較高精度，但仍存在一些缺點，其對離子源(特別是樣品表面)狀態(tài)和加速器的穩(wěn)定性提出了較高要求，它們要么變化很快，要么變化較慢，否則都會引起較大的分餾效應。
(2).單一同時注入系統(tǒng) 而同時注入模式具有一些明顯的優(yōu)點，特別是不同的同位素離子能同時沿著同一軌跡運動，當離子源或加速器狀態(tài)改變時對它們都有同樣的影響，從而不會引起同位素比值的明顯變化。第一代同時注入系統(tǒng)[D.E.Lobb，et al.，Nucl.Instr.& Meth.179(1981)171]于1984年正常運行，但該系統(tǒng)對于因各種質量的離子在通過磁鐵時的不同路徑和不同的極面角度而引起的二級效應未予考慮。第二代同時注入系統(tǒng)的提出[A.E.Litherland，et al.，Nucl.Instr.& Meth.B52(1990)375；K.H.Purser，et al.，Nucl.Instr.& Meth.B35(1988)284]，能夠滿足Brown消色差要求，但存在的問題是在系統(tǒng)對稱面處的焦平面不與中心軌道垂直。焦平面的傾斜可以歸結為眾所周知的二級像差效應。Litherland等提出了一個簡單的解決辦法，并申請了專利[US patent 5,013,923]。九十年代初，同時注入系統(tǒng)已成功地應用在高壓工程公司(HVEE)生產(chǎn)的model 4130型AMS裝置上[K.H.Purser，et al.，Radiocarbon Vol.34，No.3，1992，p458]，它能較容易地獲得0.2％的14C分析精度和每年分析4000-5000個的樣品量。但是，同時注入模式不可避免的缺點是在測量放射性核素(14C)的同時，在高能質譜分析段存在很強的穩(wěn)定同位素(12C，13C)，也就是存在本底干擾源，從而影響了半衰期比14C更長的放射性核素(如10Be)的探測靈敏度。所以同時注入模式不適合比14C半衰期更長的放射性核素的分析。
(3).并接式雙注入系統(tǒng)為了滿足多核素分析的要求，鑒于同時注入系統(tǒng)對提高14C分析精度的明顯優(yōu)越性，NEC公司在出售給日本國家環(huán)境研究所的一臺5MV的Pelletron Model 15SDH-2型AMS專用裝置上設計了雙注入系統(tǒng)[Hiroshi Kume，et al.，Nucl.Instr.& Meth.B123(1997)31]。其中一條是常規(guī)的“能量跳躍”交替注入系統(tǒng)；另一條是“分離組合”同時注入系統(tǒng)，雙注入系統(tǒng)共用一臺加速器[USpatent 5534699]。1997年HVEE公司在出售給日本原子能研究所的一臺Tandetron Model 4130型AMS上并接了一條采用“能量跳躍”技術的交替注入系統(tǒng)，與“重組合器”共同使用一臺Tandetron加速器[T.Aramaki，et al.，Nucl.Instr.& Meth.B172(2000)18]。對于分析14C要求高的測量精度與分析其它長壽命放射性核素要求低的本底干擾(高的探測靈敏度)的矛盾，國際上現(xiàn)有的二家AMS生產(chǎn)公司都采用了并接的雙注入系統(tǒng)，采取兩種注入模式共享一臺串列加速器的方法。這就使AMS裝置的設備龐大，價格更昂貴，除富有國家外，非一般實驗室所能配備。
(4).混接式雙注入系統(tǒng)事實上，Lobb等在提出第一代同時注入系統(tǒng)的最初方案中就包含有交替注入的雙注入設想?？墒窃谝院蟮膱髮е校瑳]有再提到這種雙注入結構，只提到單一的同時注入系統(tǒng)。分析其原因是該雙注入結構仍有一些技術問題未能解決，把交替注入的光路元件插入到同時注入系統(tǒng)的光路元件中，這種混接式雙注入結構采用同一光路是很難兩全其美，它可以進行分析，但要得到高精度很困難。
加速器質譜計一般分為五個部分，即離子源、注入系統(tǒng)、加速器、高能質譜分析系統(tǒng)和探測器。本發(fā)明就是對其中的注入系統(tǒng)的布局結構進行改進。注入系統(tǒng)實際上是一個電磁系統(tǒng)，它的功能是傳輸從離子源射出的離子束，對離子束進行初始質量的選擇和能量色散，把需要測量的同位素離子聚焦后送入加速器。
本申請的“雙注入串列加速器質譜計”是一種采用串接式雙注入系統(tǒng)的AMS裝置，是把兩種注入模式的光路元件分離開再實現(xiàn)串接組合，其目的是在不改變探測核素的種類和精度的前提下，降低AMS裝置的成本，并簡化操作。
本發(fā)明所設計的雙注入串列加速器質譜計仍是由離子源、注入系統(tǒng)、加速器、高能質譜分析系統(tǒng)和探測器五部分組成，其特點是所述的注入系統(tǒng)是由雙聚焦速度分析器和具有導向作用的二單元靜電四極透鏡及質量重組合器三個電磁設備(或稱束流光學元件)用密封管道連接組成。所述的速度分析器放置在離子源出口的浸沒透鏡之后，質量重組合器放置在加速器的入口之前，在速度分析器和質量重組合器之間放置靜電四極透鏡。靜電四極透鏡之所以這樣放置，是為了增大速度分析器的質量色散寬度Dm。
本發(fā)明所述的速度分析器和靜電四極透鏡及質量重組合器均可以采用NEC公司或HVEE公司的產(chǎn)品。所述的三個束流光學元件之間的相互連接以及他們與離子源出口和與加速器入口之間的連接都是采用管道法蘭真空密封連接，均為已有技術，所以本申請對速度分析器、靜電四極透鏡、質量重組合器的結構，及其管道法蘭真空密封連接的方法不再加以闡述。
將本發(fā)明技術方案與現(xiàn)有的并接式雙注入系統(tǒng)相比，現(xiàn)有的交替注入系統(tǒng)在光路上采用了一個45°彎曲的靜電偏轉板，放置在離子源出口的浸沒透鏡后；當靜電偏轉板上加有電壓時，從離子源射出的離子束可以沿著45°圓弧軌道通過，但是當不加電壓時，任何從離子源射出的離子束都通不過；所以這種結構不能與同時注入系統(tǒng)的光路組合成一條光路。而本發(fā)明的串接雙注入系統(tǒng)利用了速度分析器中粒子軌道是直線行進的特點，把交替注入系統(tǒng)的束流光學元件與同時注入系統(tǒng)的光學元件分離開，再串接組合成一個雙注入光路系統(tǒng)。這也是本發(fā)明與混接式雙注入系統(tǒng)的不同之處。
本發(fā)明的另一個特點是采用電場交替改變的速度分析器。由于注入能量選定在keV量級上，比用在高能質譜計段時的能量(＞18MeV)低很多倍，所以它的機械尺寸和電、磁參數(shù)都可用得較低些。在保證質量色散寬度大和聚焦性能好的條件下，它的脈沖電壓幅度＜5kV，而“能量跳躍”技術中的脈沖電壓幅度為15kV。另外，速度分析器也具有能量色散作用，這也就代替了一般“能量跳躍”注入系統(tǒng)中配置的球形靜電偏轉板的作用。當然速度分析器比靜電偏轉板增加了磁場參數(shù)，這就使結構復雜，還要考慮去掉剩磁。
考慮到同一光路系統(tǒng)用作兩種注入模式時，對離子源引出束流的聚焦位置的改變，所以本發(fā)明把通常的導向器改為既能導向又能聚焦的靜電四極透鏡。
在現(xiàn)有技術中，HVEE公司和NEC公司的多核素AMS裝置所采用的并接雙注入系統(tǒng)，要有兩套離子源和注入器，包括相應的真空部件、束測元件和控制系統(tǒng)在內(nèi)，不僅使設備龐大，且使AMS裝置的價格增加三分之一以上，約八十萬美元。而本發(fā)明的串接雙注入系統(tǒng)在保持與上述二公司產(chǎn)品同樣性能水平的情況下可降低成本約五十萬美元。
這里需要說明的是，本發(fā)明所述的注入系統(tǒng)中三個光學元件雖然是已有技術產(chǎn)品，但除了重組合器在現(xiàn)有的AMS中位于注入系統(tǒng)內(nèi)，其余二個元件并不用在注入系統(tǒng)內(nèi)。速度分析器在現(xiàn)有的AMS中位于高能質譜分析系統(tǒng)，其作用是進行離子質量的選擇；而四極透鏡在現(xiàn)有的AMS中同樣位于高能質譜分析系統(tǒng)，其作用是會聚離子束到分析磁鐵物點、或靜電分析器物點、或探測器。
本發(fā)明中位于注入系統(tǒng)的速度分析器在加速器質譜計交替注入運行模式時，由于正交的電場和磁場的共同作用，它具有質量選擇、能量色散和束流雙向聚焦作用；而在同時注入運行模式時，由于沒有正交的電場和磁場的共同作用，就沒有這些功能，成為普通的直管道?，F(xiàn)有的速度分析器使用時在參數(shù)設定后，其電場值和磁場值是固定不變的，而本發(fā)明采用的速度分析器的電場值卻是以一定頻率交變的，即其采用脈沖電源，從而實現(xiàn)交替地選擇不同質量的離子。
本發(fā)明中位于注入系統(tǒng)的靜電四極透鏡能對離子束聚焦和導向，把要測量的離子束準確地會聚到質量重組合器的物點?，F(xiàn)有的靜電四極透鏡使用時，每副相對的兩個電極板上都加上極性相同的等幅電壓，而本發(fā)明采用的靜電四極透鏡的每副相對的兩個電極板上可以加上極性相同的不等幅電壓，從而具有導向作用，可以微調在質量重組合器的物點平面上的束流位置和方向。
本發(fā)明中的重組合器可以采用HVEE公司的質量重組合器的結構。在同時注入運行模式時，其作用與現(xiàn)有的加速器質譜計中的作用一樣。而在交替注入運行模式時，它又代替“能量跳躍”磁鐵，但又與現(xiàn)有的“能量跳躍”磁鐵不同，沿磁鐵中心線軌道相繼進入的離子的能量不再跳躍改變，所以離子不是沿同一條軌道運動，而是沿著相當于它們在同時注入時的分離軌道運動，直至在質量重組合器的出口像點處才又沿磁鐵中心線軌道進入加速器。
本發(fā)明串列雙注入系統(tǒng)的工作原理是當使用同時注入運行模式分析核素(如14C)時(如圖2所示)，速度分析器不加電壓，使其剩磁接近于零，它等于一條直通管道；從離子源吸出的碳離子束由浸沒透鏡和靜電四極透鏡的組合作用會聚到質量重組合器的物點，利用靜電四極透鏡的導向功能，以微調在物點焦平面上的束流位置和方向，使束流精確進入質量重組合器；在質量重組合器內(nèi)，三種碳同位素離子先分離成三個軌道，在重組合器的中央對稱平面上，它們相距約2cm，13C-離子束在磁鐵中心線軌道上，14C-和12C-離子束分別在13C-軌道的兩旁；在重組合器的出口像點處，三種碳同位素離子束又合并成同一軌道。
當使用交替注入運行模式分析核素(如10Be)時(如圖3所示)，從離子源吸出的BeO-離子束經(jīng)由浸沒透鏡進入到速度分析器；在適當?shù)碾妶龊痛艌鲋禃r，可使被分析核素的穩(wěn)定同位素9Be-離子從它的中心軸線通過，并由它和浸沒透鏡的組合作用把束流會聚到質量重組合器的物點；10Be-、10B-等其他質量的離子和與9Be-中心離子束的能量差別較大的9Be-離子都損失在重組合器的入口限縫處；固定速度分析器磁場值，改變其電極上的電壓，讓在一定能散范圍內(nèi)的放射性同位素10Be-離子及其同量異位素10B-離子從速度分析器的中心軸線通過并會聚到質量重組合器的物點，而9Be-等其他不要的離子損失在重組合器的入口限縫處。所以，如果交替的改變速度分析器的電極電壓，就能交替的將9Be-或10Be-離子從速度分析器的中心軸線通過并會聚到質量重組合器的物點。與進入“能量跳躍”磁鐵不同，相繼交替進入重組合器磁鐵的9Be-和10Be-(和10B-)離子不是沿同一軌道前進，而是沿著相當于同時注入模式時的各自軌道運動。9Be-離子束沿著四塊磁鐵的中心線軌道運動，而10Be-(和10B-)離子則沿著中心線旁一定距離軌道運動；在到達重組合器的像點后9Be-和10Be-(和10B-)離子交替的沿同一軌道進入加速器被分析。
本發(fā)明在中科院地球環(huán)境所的應用實例見

圖1。它的串接式雙注入系統(tǒng)的束流光學元件的結構參數(shù)如下速度分析器的長Lm＝30cm，電極間距d＝5cm，電場強度E＝1kV/cm，需用兩臺輸出為3kV脈沖電源供給二電極，磁場強度為4kG，速度分析器出口與重組合器物點之間距Ld＝85cm，則對于129I的質量色散寬度Dm＝0.3cm(束徑D＝0.2cm)，因采用雙聚焦速度分析器，Dm會大于0.3cm。
靜電四極透鏡的長度Lq＝30cm，電極間距dq＝5cm，電場強度E＝1kV/cm，需用兩臺輸出為5kV帶偏置電壓的直流電源供給電極。
質量重組合器的四塊磁鐵中的每塊磁鐵的質能常數(shù)，在注入能量選用40KeV時為MW/Z2＝7.5，且曲率半徑為r＝33cm，磁場強度12kG。
本發(fā)明的技術方案可以根據(jù)用戶的實際情況改變結構參數(shù)。
權利要求
1.一種雙注入串列加速器質譜計，包括有離子源、注入系統(tǒng)、加速器、高能質譜分析系統(tǒng)和探測器；其特征在于，所述的注入系統(tǒng)是由雙聚焦速度分析器、靜電四極透鏡和質量重組合器連接組成；其中雙聚焦速度分析器放置在離子源出口的浸沒透鏡之后，質量重組合器放置在加速器的入口之前，在雙聚焦速度分析器與質量重組合器之間放置靜電四極透鏡；它們之間的相互連接采用管道法蘭真空密封連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的加速器質譜計，其特征在于，所述的雙聚焦速度分析器采用脈沖電源。
3.根據(jù)權利要求2所述的加速器質譜計，其特征在于，所述的靜電四極透鏡的每副相對的兩個電極板上加有極性相同的不等幅電壓。
全文摘要
一種雙注入串列加速器質譜計,本發(fā)明的特點是其注入系統(tǒng)是由雙聚焦速度分析器、靜電四極透鏡和質量重組合器連接構成。本發(fā)明在不改變探測核素的種類和精度的前提下,能夠降低雙注入加速器質譜計的成本,具有結構簡單、簡化操作的優(yōu)點;適用于各種長壽命放射性核素的探測分析。
文檔編號H01J49/42GK1362622SQ0211443
公開日2002年8月7日 申請日期2002年2月6日 優(yōu)先權日2002年2月6日
發(fā)明者周衛(wèi)建, 陳茂柏 申請人:中國科學院地球環(huán)境研究所