CN106512726B - 一种同位素电磁分离器 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素电磁分离器，包括离子源、接收器系统、真空系统、检测系统、控制系统，离子源包括弧放电室及与弧放电室后部直接密封连接的坩埚，弧放电室前部设有用于引出离子束的引出电极；接收器系统设置在真空系统的真空室内，包括通过绝缘子设置在框架上的面板，面板上设有能够通过电磁分离后的同位素离子束的入射缝，在框架上设有能够接收从入射缝通过的离子束的接收口袋，框架设置在能够前后移动的接收器滑动轴上，接收口袋、面板能够随接收器滑动轴前后移动；检测系统包括谱线扫描装置、束流发射度仪和张角测量仪。该分离器能够保证同位素生产的连续性和长期性，提高分离的同位素的丰度。

Description

一种同位素电磁分离器

技术领域

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素电磁分离器。

背景技术

电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，其最早是被用来分离生产²³⁵U的。以美国为例，在二战后期为制造原子弹，在橡树岭实验室建造上千台大型分离器，分离出符合要求的核材料²³⁵U，爆炸了世界上第一颗原子弹。俄罗斯也是用电磁分离器生产²³⁵U，爆炸了第一颗原子弹。美国和俄罗斯在该领域一直占有领先地位，其它国家很少有大型分离器。

美国与俄罗斯是电磁同位素分离大国，最早使用电磁分离法分离同位素，因此，他们所使用的电磁分离器代表了先进的水平，美国橡树岭国家实验室用电磁法分离的稳定同位素元素有52种。在这些元素中，有20种可通过离心法分离，而剩余的32种只能通过电磁法分离。根据2012年4月在北京国际会议中心举办的中国核工业展览会(NIC-2012)上，俄罗斯同位素股份公司和俄罗斯电化学仪器公司提供的同位素产品目录介绍，用电磁法生产的同位素有41个元素的同位素。

电磁分离方法是获得星载铷钟所需的高丰度的铷同位素，微型镍电池核心材料高丰度的⁶²Ni，高精度碱金属磁力仪核心材料高丰度K等同位素唯一可行的方法。

本发明中的同位素电磁分离器就是用于多种同位素的电磁分离。

发明内容

本发明的目的是对现有的电磁同位素分离器改造完成后，使其成为技术先进，性能优良，自动化程度高，安全稳定的生产型分离器，可以节能、稳定、可靠、安全地长时间运行，保证同位素生产的连续性和长期性，提高分离的同位素的丰度，保持我国分离器技术在国际上的竞争能力。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种同位素电磁分离器，包括离子源、接收器系统、真空系统、检测系统、控制系统，所述的离子源包括弧放电室以及与所述弧放电室后部直接密封连接的坩埚，弧放电室前部设有用于引出离子束的引出电极；所述的接收器系统设置在真空系统的真空室内，包括通过绝缘子设置在框架上的面板，所述面板上设有能够通过电磁分离后的同位素离子束的入射缝，在所述框架上还设有能够接收从所述入射缝通过的离子束的接收口袋，所述框架设置在能够前后移动的接收器滑动轴上，所述接收口袋、面板能够随所述接收器滑动轴前后移动；所述的检测系统包括谱线扫描装置、束流发射度仪和张角测量仪。

进一步

所述离子源设置在所述真空室内的磁场中，所述磁场的磁力线方向与所述离子源中离子束引出方向垂直，还包括设置在所述坩埚外围的坩埚加热炉筒，设置在所述弧放电室顶部的阴极和灯丝；

所述弧放电室包括设置在所述弧放电室后部、通过坩埚接口与所述坩埚连通的蒸汽分配室，设置在所述坩埚接口上的船形板，还包括通过蒸汽分配板与所述蒸汽分配室相隔离的放电室，所述放电室顶端设置有电子窗，还包括设置在所述弧放电室外围的弧室加热器，所述阴极靠近所述电子窗，所述电子窗距离所述放电室的边缘为0.5mm，所述阴极包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时；

所述引出电极为三电极结构，包含从所述放电室向外依次设置的引出缝电极、聚焦电极、接地电极；所述引出缝电极处于正高压，设有第一引出缝；所述聚焦电极处于负高压，设有第二引出缝；所述接地电极处于零电位，设有第三引出缝；

所述蒸汽分配板通过设置在所述蒸汽分配室与所述放电室之间的分配板插槽安装在所述弧放电室内部；

所述引出缝电极设置在引出缝面板上，所述引出缝面板通过设置在所述放电室上的引出缝面板插槽安装在所述放电室上；

所述电子窗通过所述放电室顶端的电子窗插槽设置在所述放电室上；

所述引出缝电极上的所述第一引出缝为窄条状，纵向为曲面，曲率半径为2600mm，所述电子窗的边沿到所述第一引出缝的距离为0.5mm；

所述引出缝电极、聚焦电极、接地电极的极间距离能够调整，所述聚焦电极的聚焦电压能够调整；

在离子源的靠近所述引出电极的头部设有气化放电装置，在离子源中部设有防打火罩，所述防打火罩能够防止所述气化放电装置产生的慢电子对所述离子源中的零部件的轰击；

在所述弧放电室两侧安装PIG板，所述PIG板能够改变所述弧放电室中的电场分布，减少所述弧放电室周围的电子震荡放电；所述PIG板为不锈钢材质；

所述离子源设置在同位素电磁分离器的真空室内；

所述坩埚与所述坩埚加热炉筒之间采用陶瓷套筒作为绝缘支撑；

所述聚焦电极所处的负高压部分采用引入绝缘和支撑绝缘，所述引入绝缘的引入绝缘子一半在所述弧放电室的真空中，另一半在所述弧放电室外的大气中；所述支撑绝缘用于所述聚焦电极的绝缘支撑，采用多波纹支撑绝缘子；

所述引入绝缘子、多波纹支撑绝缘子采用Al₂O₃材质；

所述弧放电室、坩埚、坩埚加热炉筒、弧室加热器采用高纯石墨或不锈钢制作；

所述聚焦电极包括支撑板和设置在所述支撑板上的缝口面板，设置在所述缝口面板上的用于引出离子束的第二引出缝，所述缝口面板采用高纯石墨制作；

所述缝口面板上的所述第二引出缝向靠近所述引出缝电极一侧凹陷；

所述支撑板与所述缝口面板连接的部分为凹陷结构，所述凹陷结构向靠近所述引出缝电极一侧凹陷；

所述支撑板在所述缝口面板周围的部分为镂空结构了；所述支撑板采用不锈钢制作并设有若干透气孔。

进一步

所述接收器系统包括设置在所述同位素电磁分离器的真空室的真空环境中的接收器和接收口袋；所述接收器包括通过绝缘子设置在框架上的面板，所述面板上设有入射缝，所述入射缝能够通过电磁分离后的同位素离子束，其特征是：还包括设置在所述框架上的接收口袋，所述接收口袋能够接收从所述入射缝通过的所述离子束；所述框架设置在能够前后移动的接收器滑动轴上，所述接收口袋、面板能够随所述接收器滑动轴前后移动；

所述入射缝不止一个；根据分离后的所述同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个所述入射缝的缝宽各不相同；每个所述入射缝对应一个与所述入射缝的缝宽相匹配的特定厚度的所述接收口袋；相对应的所述入射缝和所述接收口袋能够使得从所述入射缝通过的所述离子束全部进入所述接收口袋中，所述接收口袋能够降低所述离子束的溅射作用，所述接收口袋具有弯曲弧度，所述弯曲弧度的曲率半径为980mm；

所述接收器滑动轴的滑动控制采用不破坏所述真空环境的远程控制方式，所述框架、接收器滑动轴采用不锈钢制作；

所述接收口袋设有用于降温的冷却水管，通过水冷降温降低所述离子束的溅射作用；

所述面板采用高纯石墨制作，所述接收口袋采用紫铜制作，所述接收口袋能够耐受最大功率为2kW的离子束；

还设置有水分配柱和与所述水分配柱相连的多个水冷接头，所述水冷接头之间并联，所述水冷接头用于同所述接收口袋上的所述冷却水管相连，为所述接收口袋提供冷却用水；

所述水分配柱采用绝缘的聚四氟乙烯制作，所述冷却水管采用恒温水冷却；

所述水分配柱、水冷接头、冷却水管能够耐0.6MPa水压；

还包括通过所述绝缘子设置在所述框架上的能够开启闭合的挡门，闭合时能够将所述面板上的所述入射缝挡住，开启时能够允许所述离子束通过所述入射缝；

所述面板由高纯石墨制成的，所述挡门采用不破坏所述真空环境的远程控制方式开启闭合；

所述接收器上设有水冷接头，所述通过电磁分离后的同位素为铷同位素，所述铷同位素包括⁸⁵Rb和⁸⁷Rb，所述接收口袋的袋体采用3mm厚的紫铜材料制作，包括位于所述接收口袋一侧的第一盒板，位于所述接收口袋另一侧的第二盒板，所述接收口袋能在收集所述离子束的同时检测所述离子束的束流流强；所述接收口袋的外围设有能够耐0.6MPa水压的冷却水管，所述冷却水管通过水管接头和螺母与所述水冷接头相连；

还包括设置在所述接收口袋外围的上固定板、下固定板、接线柱，所述上固定板、下固定板用于将所述接收口袋固定在所述接收器上，所述接线柱用于将所述离子束的束流强度输出为第一电流信号，所述第一电流信号用于检测所述离子束的束流流强；

还包括设置在所述下固定板上的用于所述接收口袋、下固定板之间绝缘的陶瓷环、陶瓷圈；

所述接收口袋的高度为250mm，内部深度为100mm，能够接收最大离子流为≤50mA，能够耐受最大功率为2kW的离子束的轰击，真空度能够达到1～3×10^-3Pa；

用于接收所述⁸⁵Rb的接收口袋的厚度为25mm，用于接收所述⁸⁷Rb的接收口袋的厚度为20mm。

更进一步

所述谱线扫描装置设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括直径为1mm的法拉第筒制成的谱线扫描装置探头，所述谱线扫描装置探头能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的第二电流信号，所述谱线扫描装置探头设置在谱线扫描装置探头板上，所述谱线扫描装置探头板设置在所述同位素电磁分离器中的接收器的框架上，还包括设置在所述接收器上的能够使所述谱线扫描装置探头板做三维移动的机械传动机构，还包括与所述谱线扫描装置探头相连的电子线路，以及同所述电子线路相连的数据处理系统，所述数据处理系统能够采集、显示、记录所述谱线扫描装置探头的空间位置信号和所述离子束的所述第二电流信号；

所述谱线扫描装置探头不止一个，直线分布在所述谱线扫描装置探头板上，间距20mm，开口方向一致，所述电子线路与所述谱线扫描装置探头一一对应；所述法拉第筒为不锈钢材质，所述谱线扫描装置探头板采用高纯石墨制作，所述谱线扫描装置探头和所述谱线扫描装置探头板之间设有采用氮化硼制作的绝缘层；

所述机械传动机构能够提供所述谱线扫描装置探头板的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴；

所述谱线扫描装置探头板能够在所述框架上做与所述X轴成43°角的直线移动；

所述机械传动机构包括能够带动所述框架及所述谱线扫描装置探头板前后运动的谱线扫描装置滑动轴，相互连接的前后运动驱动步进电机和前后运动驱动丝杠，所述前后运动驱动步进电机和前后运动驱动丝杠用于控制所述谱线扫描装置滑动轴的前后运动；

还包括互相连接的皮带轮传动结构和探头扫描运动丝杠；

还包括通过谱线扫描装置传动轴与所述皮带轮传动结构相连的扫描探头驱动步进电机，所述扫描探头驱动步进电机用于驱动探头扫描运动丝杠使所述谱线扫描装置探头板能够在所述框架上做与所述X轴成43°角的直线移动；

所述谱线扫描装置传动轴沿所述谱线扫描装置滑动轴的轴向贯穿所述谱线扫描装置滑动轴；所述谱线扫描装置滑动轴、谱线扫描装置传动轴通过O型橡胶圈来实现动态密封。

进一步

所述束流发射度仪包括设置有发射度仪探头的运动支撑机构，所述运动支撑机构能够使所述发射度仪探头在所述真空室内的所述引出电极附近做往复直线运动，所述发射度仪探头能够测量所述引出电极中射出的所述离子束的第三电流信号；还包括设置在所述真空室之外、通过真空密封插头连接所述发射度仪探头的扫描电源；还包括设置在所述真空室之外、控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述发射度仪探头所获得的所述第三电流信号的运动控制及数据采集系统；

所述运动支撑机构设置在所述真空室上，包括连接发射度仪步进电机和螺母的发射度仪丝杠，还包括与所述螺母相连、一端穿入所述真空室的发射度仪传动杆、设置在所述真空室内的所述发射度仪传动杆的一端的发射度仪探头支架，所述发射度仪探头安装在所述发射度仪探头支架上，还包括把所述发射度仪传动杆设置在所述真空室上的发射度仪安装法兰，所述发射度仪传动杆能够在所述发射度仪步进电机的驱动下带动所述发射度仪探头做往复直线运动；所述发射度仪传动杆采用密封的波纹管实现所述运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，所述发射度仪传动杆在所述真空室中的往复直线运动的行程能够达到±105mm；

所述发射度仪传动杆在所述真空室中的部分以及所述发射度仪探头支架、发射度仪探头的耐受功率达到1.5kW，所述耐受功率是指能够耐受的所述离子束的最大功率；

还包括贯穿电极，所述贯穿电极一端与所述真空室内的所述发射度仪探头相连，另一端设置在所述真空室之外的非真空环境中，所述贯穿电极采用金属电极与陶瓷材料相结合，能够实现5kV高压的电气贯穿，用于传输所述第三电流信号，所述陶瓷材料用于所述金属电极的绝缘；

所述扫描电源的扫描电压为±5kV，所述扫描电压的扫描步长为20V；所述发射度仪探头上设有用于传输所述第三电流信号的信号连线，所述运动控制及数据采集系统通过所述贯穿电极与所述真空室中的所述信号连线连接；

所述发射度仪探头包括上下平行设置的、用于静电偏转的低电位极板、高电位极板，所述高电位极板设置在所述低电位极板上方；设置在所述低电位极板、高电位极板两端的前缝口和后缝口，所述前缝口靠近所述离子源的所述引出电极；还包括设置在所述后缝口上的法拉第筒；所述离子束能够从所述前缝口进入所述低电位极板、高电位极板之间经过静电偏转后，从所述后缝口进入所述法拉第筒；

所述低电位极板、高电位极板长度为200mm；

所述低电位极板、高电位极板之间的间距为30mm；

所述前缝口、后缝口宽度为0.5mm；

所述低电位极板、高电位极板上加载扫描电压；

在所述后缝口、法拉第筒之间设有用于抑制二次电子逃逸的抑制电极，所述抑制电极加载的抑制电压为300V；

所述法拉第筒采用不锈钢材料制作,所述前缝口设置在前缝口板上，所述前缝口板采用高纯石墨制作；

所述低电位极板、高电位极板上设有偏压电源线，所述偏压电源线连接所述扫描电源，用于所述扫描电源向所述低电位极板、高电位极板加载所述扫描电压。

进一步

所述张角测量仪设置在所述离子源的所述引出电极前端，所述引出电极设有引出缝，用于引出所述离子束，所述离子束在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，所述Y轴方向为所述离子束的发射方向，所述张角测量仪包括设置在所述真空室内的第一张角测量仪探头、第二张角测量仪探头，通过所述第一张角测量仪探头测量得到的第四电流信号能够获得所述离子束的束流流强，通过所述第二张角测量仪探头测量得到的第五电流信号能够获得所述离子束的束流的空间密度分布，通过所述空间密度分布能够得到所述离子束的束流张角；还包括能够采集、记录第一张角测量仪探头、第二张角测量仪探头的空间位置信号和所述第四、第五电流信号的第三PLC模块；

所述第一张角测量仪探头、第二张角测量仪探头通过探头运动装置设置在所述真空室内，所述第二张角测量仪探头靠近所述引出缝，所述探头运动装置能够带动所述第二张角测量仪探头运动，所述第二张角测量仪探头的二维运动范围包括沿所述X轴方向运动±115mm，沿垂直于所述X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm；所述第一张角测量仪探头远离所述引出缝；所述探头运动装置能够使所述第一张角测量仪探头翻转到偏离所述离子束的位置；

所述探头运动装置贯穿设置在所述真空室上，采用旋转动密封实现所述探头运动装置在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿；

所述第一张角测量仪探头由一个采用水冷冷却的大法拉第筒构成，所述大法拉第筒能够测量的所述束流流强达到50mA；

所述第二张角测量仪探头包括探头面板及设置在所述探头面板上的若干个开口朝向一致的张角测量仪小法拉第筒；

所述张角测量仪小法拉第筒的直径小于1mm；所述张角测量仪小法拉第筒外围设有第二张角测量仪探头屏蔽罩；所述张角测量仪小法拉第筒与所述第二张角测量仪探头屏蔽罩之间设有探头绝缘子。

进一步

所述控制系统包括谱线扫描装置控制系统，所述谱线扫描装置控制系统包括连接有第一显示控制设备的第一PLC模块，所述第一PLC模块与所述谱线扫描装置相连；所述第一PLC模块能够采集、记录所述谱线扫描装置探头的空间位置信号和所述第二电流信号；所述第一显示控制设备用于显示所述机械传动机构的运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述机械传动机构的控制指令、通过所述第一PLC模块控制所述机械传动机构的运行；

通过所述第一显示控制设备输入的所述控制指令包括：

设置所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机当前的位置坐标、运行速度；

控制扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机运动与停止；

所述第一显示控制设备显示的所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的所述信号数据包括：

所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机当前的位置坐标、运行速度；

所述离子束的所述第二电流信号，所述第二电流信号为所述离子束的电流值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述谱线扫描装置探头的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括对所述扫描探头驱动步进电机和所述前后运动驱动步进电机进行磁屏蔽；

使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述离子束的所述第二电流信号、所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的所述信号数据、向所述机械传动机构发送的所述控制指令。

进一步

所述控制系统包括束流发射度仪控制系统，所述束流发射度仪控制系统包括连接有第二显示控制设备的第二PLC模块，所述第二PLC模块与所述束流发射度仪相连；所述第二PLC模块用于控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述发射度仪探头所获得的所述第三电流信号；

所述第二显示控制设备用于显示所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述第二PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述运动支撑机构的控制指令、通过所述第二PLC模块控制所述运动支撑机构的运行；

通过所述第二显示控制设备输入的控制指令包括：

所述离子束的当前束流参数；

所述发射度仪探头的探头参数；

对所述扫描电源的开启、关闭；

对所述运动支撑机构的所述发射度仪步进电机的电源开启、关闭；

设置所述发射度仪步进电机的运行速度；

使所述传动杆复位至初始状态；

设定所述发射度仪探头的当前位置；

设定所述发射度仪探头的目标位置；

控制所述发射度仪探头回到所述当前位置；

设置所述发射度仪步进电机的起始位置；

设置所述发射度仪步进电机的终止位置；

设置所述束流发射度仪的空间分辨率的单位；

对所述发射度仪步进电机启动、关闭；

控制所述发射度仪步进电机按照所述空间分辨率的单位前进一步；

所述第二显示控制设备显示的所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述第二PLC模块获得的所述信号数据包括：

所述发射度仪探头的探头参数；

所述扫描电源的开启、关闭；

所述运动支撑机构的所述发射度仪步进电机的电源开启、关闭；

所述发射度仪步进电机的运行速度；

所述传动杆复位至初始状态；

所述发射度仪探头的当前位置；

所述发射度仪探头的目标位置；

所述发射度仪步进电机的起始位置；

所述发射度仪步进电机的终止位置；

所述束流发射度仪的空间分辨率的单位；

所述发射度仪步进电机启动、关闭；

所述离子束的束流密度分布图像；

发射度相图；

发射度数值；

所述束流发射度仪控制系统，还包括电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯，所述待机指示灯与所述运行指示灯不同时点亮。

进一步

所述控制系统包括张角测量仪控制系统，所述张角测量仪控制系统包括连接有第三显示控制设备的所述第三PLC模块；所述第三PLC模块能够采集、记录所述第一张角测量仪探头、第二张角测量仪探头的空间位置信号和所述第一张角测量仪探头探测到的第四电流信号、第二张角测量仪探头探测到的第五电流信号；所述第三显示控制设备用于显示所述探头运动装置的运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述探头运动装置的控制指令、通过所述第三PLC模块控制所述探头运动装置的运行；

通过所述第三显示控制设备输入的控制指令包括：

设置所述第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机的运动与停止，实现所述第二张角测量仪探头的二维运动；

还包括：

设置所述第一张角测量仪步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述第一张角测量仪步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第一张角测量仪步进电机的运动与停止，实现所述第一张角测量仪探头的翻转；

所述第三显示控制设备显示的所述探头运动装置的运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的信号数据包括：

所述第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

所述第二张角测量仪探头探测得到的所述离子束的所述第五电流信号，所述第五电流信号包括所述离子束的电流值、电压值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述第二张角测量仪探头的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括：

所述第一张角测量仪步进电机的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第一张角测量仪步进电机的当前的位置坐标、运行速度；

所述第一张角测量仪探头探测得到的所述离子束的所述第四电流信号，所述第四电流信号包括所述离子束的电流值；

还包括对所述第一张角测量仪步进电机、第二张角测量仪步进电机、第三张角测量仪步进电机进行磁屏蔽；

所述张角测量仪还包括张角测量仪安装法兰，所述张角测量仪安装法兰上设有航空插头，通过所述航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述第四、第五电流信号；所述探头运动装置的所述运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的所述信号数据、用于控制所述探头运动装置的所述控制指令。

本发明的有益效果在于：

1.离子源

①通过对弧放电室15与坩埚接口23及引出缝的气密性设计，提高气密性，使得暗电流减小(小于10mA左右，传统的弧放电室与坩埚中为20mA左右)，离子源的打火频次下降，引出的离子束流的流强增大，减少了离子源的受污染程度和离子源的清洗频率，节约了宝贵的离子源原料，提高离子源原料的利用率(原料的使用时间提高2％-5％)。采用三电极结构，有利于强流的引出，对于铷同位素，接收束流的流强达到21mA；

②安装PIG板35，改变电场分布，减少弧放电室15周围电子震荡放电。聚焦电极2的第二引出缝12改成窄条状，从而减少气阻，提高电极区域真空度，减少工作物质在聚焦电极2上的沉积；保证离子源的稳定运行，减少聚焦电极2上的打火现象。离子源可连续稳定运行超过24小时；

③坩埚8的绝缘支撑为陶瓷材料；在空气潮湿的季节也能正常开机，增加了同位素电磁分离器的分离运行时间；

④缝口面板43采用高纯石墨制作，在频繁打火的情况下，缝口面板43不会变形，提高了引出缝电极3的寿命(寿命从1个月提升到超过1年)；

⑤通过第二引出缝12的凹陷设计，以及支撑板42的凹陷结构48和镂空结构44，降低了聚焦电极2周围暗电流的大小(从20mA降低到10mA)，明显改善了离子源的工作状态，降低了打火频率，保证了同位素分离的顺利进行；

2.接收器系统

①采用电动方式使接收器头部可沿前、后(y)方向移动，在同位素的分离过程中可远程精确调节，更有效地接收分离后的同位素产品，且在移动过程中不破坏真空环境；

②可以安装接收口袋50的横(x)方向空间宽度能够安装多个接收口袋50，保证同时接收多种同位素，并且接收口袋均50采用水冷，每个接收口袋50可耐受最大功率为2kW；

③满足保持率高，提高接收器里收集的同位素的丰度，保证同位素相互沾污小，并能长时间稳定运行；

④真空密封性能好，真空度可以达到1～3×10^-3Pa，不破坏真空室94内的真空环境，保证同位素分离的正常运行；

⑤接收口袋50解决了同位素电磁分离器内离子束能量为25～35keV的轰击和溅射问题。避免了温度过高引起的同位素蒸发的问题，并能够方便的更换；

3.谱线扫描装置

①谱线扫描装置探头86所采用的法拉第筒直径为1mm，提高了测量的准确性；

②设置多个谱线扫描装置探头86，可以一次测量多组数据，解决了因为离子束的束流不稳定性导致的测量结果的不确定性；

③扫描行程达到240mm，适用于聚焦面较宽的情况下的测量，即能够测量10％高度的束流密度高斯分布达到150mm的情况；

4.束流发射度仪

①能够精确测量低能强流弧放电离子源的发射度；

②能够测量束流功率达到1.5kW(30kV，50mA)的离子束；

③能够测量束流张角达到±14.5°的束流发射度；

④能够测量大张角非轴对称直流束的发射度；

5.张角测量仪

①采用法拉第筒测量法，通过张角测量仪小法拉第筒117运动行程为测量探针可精密在线测量束流密度分布，可测量的束流张角达到±14.5°；

②探头运动装置采用旋转动密封，实现了大气与真空的运动贯穿；

③在测量束流张角的同时，还可在线测量离子源总引出束流，可测量流强达到50mA；

6.谱线扫描装置控制系统

①能够通过控制步进电机(包括扫描探头驱动步进电机77、前后运动驱动步进电机81)实现对谱线扫描装置探头86位置的精确控制，解决了因为探头位置不精确造成的测量结果不确定性的问题；

②实现了对相宽较宽情况下的束流分布的处理与显示；

③通过磁屏蔽以及对步进电机位置的控制(包括扫描探头驱动步进电机77、前后运动驱动步进电机81)，解决了同位素电磁分离器中的磁场对步进电机的影响而导致的测量不精确的问题；

④能够直观的显示离子束的束流密度的二维分布；

7.束流发射度仪控制系统

①通过控制系统实现了对扫描电源的全电压扫描，并形成反馈；

②通过发射度仪步进电机88实现了发射度仪探头92位置的精确定位，可精密在线测量束流密度分布，可精确测量的束流张角达到±14.5°，测量束流功率达1.5kW，解决了在测量大张角大功率束流的情况下，探头位置不精确导致的测量结果的不确定性的问题；

③通过程序实现了归一化发射度的计算；

8.张角测量仪控制系统

①能够通过控制发射度仪步进电机88实现对发射度仪探头92位置的精确控制，解决了在测量大张角的情况下因为探头位置不精确造成的测量结果的不确定性的问题；

②可精确在线测量离子束的束流密度分布，可精确测量的离子束的张角达到±14.5°；

③通过磁屏蔽以及对发射度仪步进电机88位置的控制，解决了同位素电磁分离器中的磁场对步进电机的影响而导致的测量不精确的问题。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述离子源的结构侧视图；

图2是本发明具体实施方式中所述离子源的结构俯视图；

图3是本发明具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接示意图

图4是本发明具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接结构剖视图；

图5是本发明具体实施方式中所述弧放电室的俯视剖视图；

图6是本发明具体实施方式中所述坩埚的示意图；

图7是本发明具体实施方式中所述弧放电室的前视图；

图8是本发明具体实施方式中所述弧放电室的B-B剖视图；

图9是本发明具体实施方式中所述弧放电室的C向视图；

图10是本发明具体实施方式中所述引出缝电极的前视图；

图11是本发明具体实施方式中所述引出缝电极的B-B剖视图；

图12是本发明具体实施方式中所述引出缝电极的C向剖视图；

图13是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的所述第二引出缝的前视图；

图14是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的所述第二引出缝的侧视图；

图15是本发明具体实施方式中所述陶瓷套筒的剖视图；

图16是本发明具体实施方式中所述多波纹支撑绝缘子的剖视图；

图17是本发明具体实施方式中所述离子源、聚焦电极在所述同位素电磁分离器的真空室中的安装示意图；

图18是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的前视图；

图19是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的侧视图；

图20是本发明具体实施方式中所述引出缝面板的前视图；

图21是本发明具体实施方式中所述引出缝面板的剖视图；

图22是本发明具体实施方式中所述接收器的左视图；

图23是本发明具体实施方式中所述接收器的右视图；

图24是本发明具体实施方式中所述面板和所述挡门的连接示意图；

图25是本发明具体实施方式中所述面板的前视图；

图26是本发明具体实施方式中所述面板的侧视图；

图27是本发明具体实施方式中用于接收⁸⁵Rb的所述接收口袋的示意图；

图28是本发明具体实施方式中用于接收⁸⁷Rb的所述接收口袋的示意图；

图29是本发明具体实施方式中所述接收口袋的侧视图；

图30是本发明具体实施方式中所述接收口袋的俯视图；

图31是本发明具体实施方式中所述接收口袋的前视图；

图32是本发明具体实施方式中所述接收口袋的仰视图；

图33是本发明具体实施方式中设置有所述扫描装置的接收器的示意图；

图34是本发明具体实施方式中所述谱线扫描装置在接收器上的安装示意图；

图35是本发明具体实施方式中设置有所述谱线扫描装置的接收器的剖视图；

图36是本发明具体实施方式中所述谱线扫描装置探头板的前视图；

图37是本发明具体实施方式中所述谱线扫描装置探头板的侧视图；

图38是本发明具体实施方式中所述铷元素同位素谱线扫描方法示意图；

图39是本发明具体实施方式中所述铷元素同位素的离子束所产生的电流信号示意图；

图40是本发明具体实施方式中所述束流发射度仪的示意图；

图41是本发明具体实施方式中所述运动支撑机构的前视图；

图42是本发明具体实施方式中所述运动支撑机构的俯视图；

图43是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头及发射度仪探头支架的前视图；

图44是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头及发射度仪探头支架的俯视图；

图45是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头及发射度仪探头支架的侧视图；

图46是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的原理示意图；

图47是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的第一关键尺寸及数值示意图；

图48是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的第二关键尺寸及数值示意图；

图49是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的侧视图；

图50是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的前视图；

图51是本发明具体实施方式中所述发射度仪探头的扫描电压输出与低电位电压信号源输出的控制关系示意图；

图52是本发明具体实施方式中所述X’来代替p所获得的发射度测量数据示意图；

图53是本发明具体实施方式中所述张角测量仪的原理图；

图54是本发明具体实施方式中所述张角测量仪的前视图；

图55是本发明具体实施方式中所述张角测量仪的俯视图；

图56是本发明具体实施方式中所述张角测量仪的侧视图；

图57是本发明具体实施方式中所述第二张角测量仪探头驱动结构的示意图；

图58是本发明具体实施方式中所述第二张角测量仪探头的前视图；

图59是本发明具体实施方式中所述第二张角测量仪探头的俯视图；

图60是本发明具体实施方式中所述张角测量仪的测量数据示意图；

图61是本发明具体实施方式中所述谱线扫描装置控制系统的结构框图；

图62是本发明具体实施方式中所述束流发射度仪控制系统的结构框图；

图63是本发明具体实施方式中所述张角测量仪控制系统的结构框图；

图中：1-接地电极，2-聚焦电极，3-引出缝电极，4-灯丝，5-阴极，6-电子窗，7-蒸汽分配室，8-坩埚，9-热反射屏，10-坩埚加热炉筒，11-第三引出缝，12-第二引出缝，13-第一引出缝，14-放电室，15-弧放电室，16-坩埚口密封细螺纹，17-前端绝缘环安装螺纹，18-装料室，19-尾端绝缘环安装螺纹，20-电子窗插槽，21-引出缝面板插槽，22-分配板插槽，23-坩埚接口，24-船形板，25-固定座，26-螺钉，27-坩埚前端绝缘环，28-坩埚尾端绝缘环，29-供电接头，30-蒸汽分配板，31-引出缝面板，32-弧室加热器，33-防打火罩，34-离子源中部，35-PIG板，36-气化放电装置，37-离子源安装法兰，38-陶瓷套筒，39-真空室壁，40-离子源供电接线端，41-离子源，42-支撑板，43-缝口面板，44-镂空结构，45-透气孔，46-缝口面板安装孔，47-支撑板安装孔，48-凹陷结构，49-引出缝凹陷部分，50-接收口袋，51-冷却水管，52-面板，53-滑动螺母，54-接收器传动轴，55-接收器安装法兰，56-第一接收器步进电机，57-接收器丝杠，58-水分配柱，59-接收器传动杆，60-第二接收器步进电机，61-接收器滑动轴，62-水冷接头，63-挡门，64-框架，65-入射缝，66-传动臂，67-第一盒板，68-第二盒板，69-上固定板，70-接线柱，71-底板，72-下固定板，73-螺母，74-陶瓷环，75-陶瓷圈，76-水管接头，77-扫描探头驱动步进电机，78-皮带轮传动结构，79-探头扫描运动丝杠，80-谱线扫描装置滑动轴，81-前后运动驱动步进电机，82-前后运动驱动丝杠，83-谱线扫描装置安装法兰，84-谱线扫描装置传动杆，85-谱线扫描装置探头板，86-谱线扫描装置探头，87-谱线扫描装置传动轴，88-发射度仪步进电机，89-发射度仪丝杠，90-发射度仪传动杆，91-发射度仪安装法兰，92-发射度仪探头，93-发射度仪探头支架，94-真空室，95-离子束，96-低电位极板，97-高电位极板，98-前缝口板，99-前缝口，100-后缝口，101-法拉第筒，102-抑制电极，103-水冷管，104-贯穿电极，105-张角测量仪安装法兰，106-丝杠驱动器，107-第二张角测量仪探头驱动轴，108-第一张角测量仪探头驱动轴，109-第二张角测量仪探头，110-第一张角测量仪探头，111-第二张角测量仪探头驱动结构，112-引出缝，113-探头面板，114-固定连片，115-第二张角测量仪探头屏蔽罩，116-探头绝缘子，117-张角测量仪小法拉第筒，118-传动齿轮，119-张角测量仪传动杆，120-探头驱动杆，121-变向传动齿轮，122-探头螺纹导杆，123-探头安装杆，124-航空插头，125-观察窗，126-第一张角测量仪步进电机，127-第二张角测量仪步进电机，128-第三张角测量仪步进电机，129-绝缘层，130-发射度仪探头屏蔽罩，131-引入绝缘子，132-多波纹支撑绝缘子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

一种同位素电磁分离器，包括离子源、接收器系统、真空系统、检测系统、控制系统，其特征是：离子源包括弧放电室15以及与弧放电室15后部直接密封连接的坩埚8，弧放电室15前部设有用于引出离子束的引出电极；接收器系统设置在真空系统的真空室94内，包括通过绝缘子设置在框架64上的面板52，面板52上设有能够通过电磁分离后的同位素离子束的入射缝65，在框架52上还设有能够接收从入射缝65通过的离子束的接收口袋50，框架64设置在能够前后移动的接收器滑动轴61上，接收口袋50、面板52能够随接收器滑动轴61前后移动；检测系统包括谱线扫描装置、束流发射度仪和张角测量仪；控制系统包括与谱线扫描装置相连的谱线扫描装置控制系统、与束流发射度仪相连的束流发射度仪控制系统、与张角测量仪相连的张角测量仪控制系统。

1.离子源

主要包括弧放电室与气化系统、引出电极、高压绝缘与支撑结构，还包括防打火装置、水冷与真空密封及对外接口等等。离子源为产生离子束流的装置，如图1、图2所示，其工作原理为：RbC1装在坩埚8中，经坩埚加热炉筒10加热气化后，通过蒸汽分配室7、船形板24、和蒸汽分配板30进入放电室14的放电区；加热的灯丝4发射电子轰击阴极5，阴极5发射的电子被电场加速和磁场约束，穿过电子窗6进入放电室14并与RbC1的气体分子发生碰撞电离，形成弧放电等离子体；弧放电等离子体经引出电极系统引出，形成具有一定能量和形状的离子束。

如图3、图4所示，弧放电室和气化系统包括弧放电室15(弧放电室15是一个整体的凹槽)，以及与弧放电室15后部相连的坩埚8，设置在坩埚8外围的坩埚加热炉筒10，设置在弧放电室15顶部的阴极5和灯丝4，设置在弧放电室15前部的设有引出缝的引出电极，其中弧放电室15、坩埚8直接密封连接(采用端面密封)。坩埚8与弧放电室15直接连接，增强了坩埚8与弧放电室15之间的气密性，能够保持坩埚8中的工作物质的蒸汽密度，保证了后续产生的等离子体的浓度。在本实施例中，弧放电室15的外形尺寸为36mm×41mm×220mm；坩埚8的安装口(与弧放电室15的连接部分)内径Φ18mm，外径M24mm，有长8mm的外螺纹，安装口的总长为10mm；坩埚8内部的装料室18的容积能够保证同位素电磁分离器一次工作100h左右。

如图4、图5、图7、图8所示，弧放电室15包括设置在弧放电室15后部、通过坩埚接口23与坩埚8连通的蒸汽分配室7，设置在坩埚接口23上的船形板24，还包括通过蒸汽分配板30与蒸汽分配室7相隔离的放电室14，还包括设置在弧放电室15前部、与放电室14连通的引出电极，放电室14顶端设置有电子窗6，还包括设置在弧放电室15外围的弧室加热器32，阴极5靠近电子窗6，电子窗6距离放电室14的边缘为0.5mm，阴极5包括直热式阴极和间热式阴极两种，其中直热式阴极寿命大于24小时。在本实施例中，弧放电室15与坩埚8的坩埚接口23为直径24mm的细螺纹口，深13mm；放电室14尺寸为20mm×8mm×212mm。

如图4、图5、图8、图9所示，蒸汽分配板30通过设置在蒸汽分配室7与放电室14之间的分配板插槽22安装在弧放电室15内部；并将蒸汽分配室7与放电室14隔开。蒸汽分配板30和船形板24的作用是使进入放电室14的气体分子在纵向上均匀分布，使弧放电等离子体在纵向上均匀分布。

如图4、图5、图7、图8、图9所示，引出缝电极3设置在引出缝面板31上，引出缝面板31通过设置在放电室14上的引出缝面板插槽21安装在放电室14上。在本实施例中，引出缝面板31宽28mm，厚3mm，长度为217mm。引出缝面板插槽21为3mm深的燕尾槽

如图4、图7、图8、图9所示，电子窗6通过放电室14顶端的电子窗插槽20设置在放电室14上，电子窗插槽20为深3mm的60°燕尾槽。

传统的弧放电室采用扣押式密封形式，放电室和蒸汽分配室是两个部分，本发明所提供的弧放电室15采用插板(配合插槽)的方式，将放电室14和蒸汽分配室7制成一个整体(如图4、图5、图8所示)，提高了弧放电室15的气密性，减少了暗电流的产生，

如图1、图2所示，引出电极为三电极结构，第一电极为引出缝电极3，第二电极为聚焦电极2，第三电极为接地电极1，这三个电极从放电室14向外按照“引出缝电极3、聚焦电极2、接地电极1”的顺序依次设置；每个电极上都设有相应的引出缝，以便离子束流的引出。其中，引出缝电极3处于35kV(V_A)正高压，设有第一引出缝13；聚焦电极2处于-25kV(V_F)负高压，设有第二引出缝12(如图13、图14所示)；接地电极1处于零电位，设有第三引出缝11。聚焦电极2(第二电极)选用负电位(负高压)，作用有两个，一是阻止引出的离子束流的等离子体中的电子被正高压吸引达到聚焦电极2，造成放电室14过热损坏；二是阻止引出的离子束流的等离子体中电子损失，有利于空间电荷补偿和离子束流的聚焦。这种电极安排结构相对复杂，但有利于离子的引出和离子束流的聚焦，提高引出的离子束流的流强。弧放电等离子体的离子束流从第一引出缝13引出后被电场加速到V_A+V_F约60kV，穿过聚焦电极2的第二引出缝12的缝口进入减速场，当离子束流穿过接地电极1的第三引出缝11的缝口后，离子的能量为V_A，这样的安排使得离子引出电压为V_A+V_F，而离子最终能量为V_A，为了能很好分离同位素，V_A的稳定度为0.04％，纹波也是0.04％。而对V_F的要求不高，通常在1～0.1％。

如图10、图11、图12所示，引出缝电极3上的第一引出缝13为窄条状，纵向为曲面，(纵向)曲率半径为2600mm(在本实施例中，其公差应控制在2600±50mm的范围内)，电子窗6的边沿到第一引出缝13的距离为0.5mm(这样的距离能够较大地提高引出束流的流强)。第一引出缝13设计成窄条状，能够减少气阻，有利于提高电极区域真空度，同时也减少了工作物质在引出缝电极3上的沉积，从而减少高压击穿。

引出缝电极3、聚焦电极2、接地电极1的极间(图2中d₁、d₂)距离能够调整，聚焦电极2的聚焦电压能够调整，能够实现离子源参数调整的人工在线控制(通过更换不同缝口宽度的聚焦电极2，实现第二引出缝12的缝口宽度的调整)，使引出的离子束流有较好的聚焦能力。通过程序进行模拟计算及实验修正的方法，优化引出电极中的三个电极的形状及引出参数等，对离子源核心部件电极引出系统进行设计。从而有利于离子束流的引出，增大引出束流的流强，提高同位素丰度。

如图17所示，在离子源头部(即靠近引出电极的弧放电室15部分)的电子将垂直于电磁场并沿着等位面向离子源后部做漂移运动，电子在漂移过程中，不断产生碰撞电离而使电子繁增，加大“打火”的次数和严重程度。在离子源的头部、靠近引出电极的位置设有气化放电装置36，在离子源中部34的位置设有防打火罩33，防打火罩33能够防止气化放电装置36产生的慢电子在磁场作用下偏转到离子源中部34的区域时对离子源中部34所在区域内的零部件的轰击，增加零部件的使用寿命。

如图17所示，本发明所提供的离子源上设有离子源安装法兰37，通过离子源安装法兰37将离子源安装在同位素电磁分离器的真空室中。其中，真空室壁39内部为真空环境，真空室壁39外部为大气环境。在离子源的弧放电室15两侧安装PIG板35，PIG板35能够改变弧放电室15中的电场分布，减少弧放电室15周围的电子震荡放电。由于离子源头部(弧放电室15)为正高压，而真空室内部为地电位，能产生电子震荡放电，通过在离子源头部(弧放电室15)两侧安装PIG板35，改变电场分布，可以减少这种电子震荡放电(即PIG放电)。PIG板35为不锈钢材质。

本发明提供的离子源的高压绝缘主要有两部分，35kV的绝缘和-25kV绝缘。坩埚8与坩埚加热炉筒10之间35kV高压部分采用陶瓷套筒38(见图15，图17)作为绝缘支撑，同时也是弧放电室15(即离子源头部)的支撑部分。聚焦电极2所处的-25kV负高压部分采用的绝缘包括引入绝缘和支撑绝缘，其中，引入绝缘的引入绝缘子131一半在真空室的真空中，另一半在弧放电室15外(真空室外)的大气中空气绝缘；支撑绝缘用于聚焦电极2的绝缘支撑，采用多波纹支撑绝缘子132(见图16)；引入绝缘子131、多波纹支撑绝缘子132均采用Al₂O₃材质制作。引入绝缘子131安装在离子源安装法兰37上，用于引入聚焦电极2的高压导线并使之与离子源安装法兰37绝缘。多波纹支撑绝缘子132将聚焦电极2支撑在接地电极1上(支撑聚焦电极2的四角)，并使之与接地电极1绝缘。

如图6所示，在本实施例中，坩埚8为圆筒状，前端和尾端均设有M30的外螺纹(分别为前端绝缘环安装螺纹17、尾端绝缘环安装螺纹19)，螺纹长15mm-16mm，用于安装作为绝缘支撑的陶瓷套筒38，起到坩埚8与坩埚加热炉筒10之间的绝缘作用。

弧放电室15、坩埚8、坩埚加热炉筒10、弧室加热器32采用高纯石墨或不锈钢制作。在本实施例中，均采用高纯石墨制作，其中坩埚8、坩埚加热炉筒10工作温度不低于800℃(坩埚加热炉筒10要求加热的温度可以达到800℃～1000℃)，加热功率为200A×20V。

聚焦电极

如图17所示，本发明提供的聚焦电极设置在离子源41的弧放电室15外侧的引出电极中(离子源41为Calutron离子源)，引出电极为三电极结构，包括引出缝电极3、聚焦电极2和接地电极1，引出缝电极3靠近弧放电室15，聚焦电极2设置在引出缝电极3、接地电极1之间，包括支撑板42和设置在支撑板42上的缝口面板43，缝口面板43上设有用于引出离子束的第二引出缝12，缝口面板43采用高纯石墨制作。聚焦电极2的打火集中在第二引出缝12附近，容易造成第二引出缝12的缝口过热变形。采用熔点高、耐轰击的材料可以克服这个问题。本发明所提供的聚焦电极2的第二引出缝12采用耐轰击的高纯石墨材料制作。石墨的熔点为3600℃左右，耐热性好，不容易变形。然而，高纯石墨材料件成本相对较高，而且易碎。因此，聚焦电极2的其他部分(支撑板42)仍采用不锈钢材料制作。

如图18所示的聚焦电极2，包括支撑板42和设有第二引出缝12的缝口面板43。缝口面板43通过两端的缝口面板安装孔46设置在支撑板42的中部，在本实施例中，缝口面板安装孔46的直径为Φ＝2.5mm(见图20)。缝口面板43采用高纯石墨材料制作，支撑板42采用不锈钢材料制作。支撑板42上均匀设置若干通气孔12，在本实施例中，聚焦电极2通过支撑板42四周设置的支撑板安装孔47安装在同位素电磁分离器中。

在Calutron离子源中，聚焦电极被偏置到-20kV至-5kV左右，弧放电室的电位为30kV。二者之间的电场非常大，造成聚焦电极与引出缝电极之间的暗电流。降低暗电流的办法是增加聚焦电极与弧放电室间的距离，降低二者之间的电场。

为了增加聚焦电极与弧放电室间的距离，本发明所提供的聚焦电极2的第二引出缝12设计成向里凹陷的结构，这样的设计可在保证第二引出缝12与弧放电室15的电场不受影响的前提下，有效降低聚焦电极2的(除第二引出缝12以外的)其他部分与弧放电室15之间的电场。如图17、图21所示，为了延长聚焦电极2中除第二引出缝12以外的部件到离子源41的弧放电室15的距离，聚焦电极2的缝口面板43上的第二引出缝12向靠近引出缝电极3一侧(弧放电室15)凹陷。在本实施例中，第二引出缝12的凹陷角度α为45度，凹陷部分的深度d＝11mm(见图21)。

同时，支撑板42与缝口面板43连接的部分也设计为凹陷结构48，凹陷结构48向靠近引出缝电极3(弧放电室15)一侧凹陷(见图17、图19)，进一步增加了聚焦电极2中除第二引出缝12以外的部件到离子源41的弧放电室15的距离。

在Calutron离子源工作时，由于弧放电室温度高，有表面电离现象出现。在表面被电离的气体形成离子直接轰击在聚焦电极上，增加暗电流。为此，本发明所提供的聚焦电极2把容易被轰击的区域(第二引出缝12周边区域)去除，可大大降低暗电流。如图18所示，支撑板42在缝口面板43周围的部分为镂空结构44。在本实施例中，镂空结构44的面积为50mm×150mm。支撑板42上设有若干透气孔45。

2.接收器系统

同位素电磁分离器的接收器系统，设置在同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，如图22所示，包括通过绝缘子设置在框架64上的面板52、接收口袋50、挡门63。面板52上设有入射缝65，入射缝65能够通过电磁分离后的同位素离子束，接收口袋50能够接收从入射缝65通过的离子束，挡门63能够开启闭合，闭合时能够将面板52上的入射缝65挡住，开启时能够允许离子束通过入射缝65。用于同位素电磁分离器的接收器通过接收器安装法兰55设置在同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，其中，位于接收器安装法兰55的包含框架64的一侧的部件都处于真空室的真空环境中，位于接收器安装法兰55的另一侧的部件都处于非真空环境中。

框架64设置在能够前后移动的接收器滑动轴61上，接收口袋50、面板52、挡门63能够随接收器滑动轴61前后移动。在本实施例中，前后移动的距离为200mm，在移动过程中头部不振动、倾斜、扭转，同时保持同位素电磁分离器的真空室的真空密封。接收器用于同时接收已分离开的多种同位素。对每种同位素，接收的最佳位置是不同的，需要在加工条件许可的情况下尽可能的优化。通过数值计算和实验修正结合的方式，获得与同位素离子束的实际轨迹相符合的计算程序，用于接收器位置的确定。在运行中，由于加速电压、弧放电等参数的变化，同位素的离子束聚焦面的位置也在变化，为更好地接收同位素，需要对接收器的面板和接收口袋的位置进行实时调整(通过框架64的前后滑动，来实现接收口袋50和面板52的位置调整)，来保证接收的同位素的丰度。

接收器滑动轴61的滑动控制采用不破坏真空环境的远程控制方式，框架64、接收器滑动轴61采用不锈钢制作。在本实施例中，采用电动方式实现远程控制，在同位素的分离过程中可以框架64移动的实现精确控制，如图22所示，第一接收器步进电机56控制接收器丝杠57旋转，进而带动接收器滑动轴61前后移动。

面板52(如图24至图26)采用高纯石墨制作，接收口袋50采用紫铜制作，接收口袋50能够耐受最大功率为2kW的离子束的轰击。在本实施例中，面板52采用8mm厚高纯石墨制作，其高×宽为272mm×350mm，可以是一个整片，也可以由2～3块拼接起来，面板52上的入射缝65和接收口袋50的形状要根据理论计算及热力学计算结果，结合所装配使用的同位素电磁分离器的色散和聚焦情况来确定。铷元素的色散和相应入射缝缝口宽度见表1。

根据分离的同位素种类，入射缝65不止一个；根据分离后的同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个入射缝65的缝宽各不相同；每个入射缝65对应一个与入射缝65的缝宽相匹配的特定厚度的接收口袋50；相对应的入射缝65和接收口袋50(缝口宽度和接收口袋的形状)能够使得从入射缝65通过的离子束全部进入接收口袋50中，接收口袋50具有一定的弯曲弧度(弯曲弧度的曲率半径为980mm，该弯曲弧度是根据离子束束流截面形状而确定，有利于均匀接收束流、降低同位素蒸发)，并在口袋外侧焊接水冷铜管，有利于束流接收。接收口袋50能够降低离子束的溅射作用，降低同位素的损失(通过水冷降温来抑制溅射作用)。每分离一种元素的同位素，均需重新设计相应的接收口袋50(入射缝65的宽度不需改变，但对于不同的元素，缝与缝的间距需要重新设计)。面板52和接收口袋50都是可以更换的部件。

在本实施例中，面板52上可以安装接收口袋50的横(x)方向空间宽度为250mm；可以安装最多4个接收口袋50(根据接收的同位素，每个接收口袋的具体尺寸有变化)，可以接收最大离子流为≤200mA，承受最大功率为8kW。

溅射是接收器制作和运行中遇到的重要问题。由于同位素电磁分离器内离子束能量为25～35keV，正处于产生最大溅射产额的范围(5～50keV)内，溅射现象严重，由于离子束轰击，使接收口袋50温度升高引起蒸发，因此溅射和蒸发是造成同位素损失和沾污的重要原因。

为了避免因接收口袋50的温度过高造成接收口袋50内已沉积的同位素蒸发损失，接收口袋50需要水冷却，所以接收口袋50设有用于降温的冷却水管51(如图22、图27、图28所示)，冷却水温控制在25℃，并通过水冷降温降低离子束的溅射作用。

接收器设置有水分配柱58(在本实施例中水分配柱58为两个)以及与水分配柱58相连的多个水冷接头62，其中水冷接头62之间相互并联，水冷接头62用于同接收口袋50上的冷却水管51相连，为接收口袋50提供冷却用水。水分配柱58采用绝缘的聚四氟乙烯制作，冷却水管51采用恒温水冷却(在本实施例中，冷却水温控制在25℃)。水分配柱58、水冷接头62、以及接收口袋50上的冷却水管51能够耐0.6MPa水压。在本实施例中，水冷接头62为5组(图22中的6个接头中，其中有一个是进出水管路的封闭头)，水分配柱58的密封可靠，且拆装方便。

挡门63由高纯石墨制成的，挡门63采用不破坏真空环境的远程控制方式开启闭合。在本实施例中，采用电动方式实现远程控制，在不破坏真空情况下可以电动打开、关闭挡门63。如图23所示，在接收器滑动轴61的内部设有接收器传动轴54，接收器传动轴54一端连接在第二接收器步进电机60上(第二接收器步进电机60位于非真空环境中)，接收器传动轴54的另一端连接设置在接收机的框架64上的接收器传动杆59，在框架64上还设置有传动臂66，接收器传动杆59通过传动臂66连接挡门63，第二接收器步进电机60通过接收器传动轴54、接收器传动杆59控制传动臂66运动，档门14在传动臂66的带动下，可以转动50度，进而完成挡门63的开启闭合。

举例说明本发明所提供的用于同位素电磁分离器的接收器面板上的入射缝的宽度确定方式。不同的同位素色散关系不一样，接收器的接收口袋的中心距及尺寸是保证同位素束流接收的重要参数。以铷(Rb)为例，根据理论计算，可以得出铷的同位素的色散关系，根据色散及磁场强度，确定接收器口袋宽度及口袋位置。由于铷元素有两个同位素(⁸⁵Rb、⁸⁷Rb)，在分离过程中，共设计两个接收口袋(分别用于收集同位素⁸⁵Rb、⁸⁷Rb，如图27、图28所示)。因此面板52上只需要设置两条不同宽度的入射缝65，并对应两个接收口袋。现有的同位素电磁分离器的色散近似计算公式如下，取中间质量M₀为标准。

M＜M₀时 色散d＝ρ×△M/M₀

M＞M₀时 色散

对于同位素电磁分离器ρ＝1700mm，D＝3345.5mm

⁸⁵Rb、⁸⁷Rb之色散为d_85-87＝39.2mm

如图24-图26所示，面板52上的两条入射缝65的缝口的宽度b₁、b₂分别取12mm、10mm。

色散是由近似公式给出，上机进行铷同位素分离时，可以判断出d的值，下机后将入射缝65向一侧修扩，直到在分离同位素⁸⁵Rb、⁸⁷Rb时，两个接收口袋同时获得最大束流。铷元素的色散和缝口宽度见“表1”。

表1铷元素的色散和缝口宽度

元素	同位素	天然丰度(％)	色散d(mm)	缝口宽度b(mm)
					Rb	85Rb	72.15		12
			39.2
						87Rb	27.85		10

接收口袋安装在同位素电磁分离器的接收器上(如图22所示)，用于接收通过同位素电磁分离器分离后的同位素的离子束。在本实施例中被分离的是铷(Rb)元素，分离后的铷同位素包括⁸⁵Rb和⁸⁷Rb两种。接收口袋50的袋体采用紫铜材料制作，包括位于顶部的第一盒板67，位于底部的第二盒板68，接收口袋50能收集全部分离的同位素的离子束，同时还能够检测离子束的束流流强(实现方法为通过接收器口袋15上的接线柱70，将离子束的束流强度输出为第一电流信号，再由相应的第四PLC模块检测)。

接收口袋50的袋体采用3mm厚的紫铜材料制作，在本实施例中，通过弯制焊接的方法将3mm厚的铜板加工成为接收口袋50的袋体，能够有效应对离子束的轰击和溅射，同时还具有良好的导热性，方便对接收口袋内部进行冷却。因为长时间的轰击和溅射，接收口袋会受到损坏，因此接收口袋50还能够方便的进行更换，保证同位素分离工做的顺利进行。如图30-图32所示，接收口袋50上设有冷却水管51。冷却水管51设置在接收口袋50的外围。冷却水管51通过水管接头76和螺母73与接收器的水冷接头62相连，冷却水管51能够耐0.6MPa水压。理论计算表明，降低接收器口袋的温度可提高接收器口袋保持率。在接收器扣口袋温度不超过25℃时，保持率满足需求。在本实施例中，冷却水管51为铜制，能够通过强制水冷使接收器口袋温度低于25℃，避免同位素因蒸发造成的损失。

如图30-图32所示，还包括设置在接收口袋50外围的上固定板69、下固定板72、接线柱70，上固定板69、下固定板72用于将接收口袋50固定在接收器上，接线柱70用于将进入接收口袋50的离子束的束流强度输出为第一电流信号，此电流信号再由相应的第四PLC模块检测，得到进入接收口袋50的离子束的束流流强。还包括设置在下固定板72上的螺母73、螺钉26、陶瓷环74、陶瓷圈75。

接收口袋50的高度为250mm，内部深度为100mm，能够接收最大离子流为≤50mA，能够耐受最大功率为2kW的离子束(解决了分离器内离子束能量为25～35keV的溅射问题)，真空度能够达到1～3×10^-3Pa。“高度”见图30中“d1”所示、“深度”见图29中“d2”所示。

铷同位素共有两种，因此需要两个接收口袋50(每分离一种元素的同位素，均需重新设计接收口袋)，其中用于接收⁸⁵Rb的接收口袋的厚度为25mm，用于接收⁸⁷Rb的接收口袋的厚度为20mm。除“厚度”外，其他细节和部件一致，“厚度”见图31中“d3”所示。

3.谱线扫描装置

素谱线扫描装置设置在同位素电磁分离器中的真空环境内(如图33所示，通过谱线扫描装置安装法兰83安装在同位素电磁分离器上，真空室壁39之内的框架64及其上面安装的其他部件处于真空环境中)，包括法拉第筒制成的谱线扫描装置探头86，谱线扫描装置探头86能够探测离子束的第二电流信号，谱线扫描装置探头86设置在谱线扫描装置探头板85上，谱线扫描装置探头板85设置在同位素电磁分离器中的接收器上(如图34、图36、图37所示，谱线扫描装置探头板85通过螺钉26设置在接收器头部的框架64上)。还包括与谱线扫描装置探头86相连的电子线路，以及同电子线路相连的数据处理系统，数据处理系统能够采集、显示、记录谱线扫描装置探头86的空间位置信号和谱线扫描装置探头86探测到的离子束的第二电流信号。

在本发明中，谱线扫描装置探头86所采用的法拉第筒的直径为1mm。如图36、图37所示，谱线扫描装置探头86不止一个(在本实施例中为7个)，直线分布在谱线扫描装置探头板85上，探头之间的间距为20mm，电子线路与谱线扫描装置探头86一一对应。法拉第筒为不锈钢材质，谱线扫描装置探头板85采用高纯石墨制作，谱线扫描装置探头86和谱线扫描装置探头板85之间设有采用氮化硼制作的绝缘层129，谱线扫描装置探头86是设置在绝缘层14内，而不与谱线扫描装置探头板85接触。

谱线扫描装置还包括设置在接收器上的能够使谱线扫描装置探头板85做三维移动的机械传动机构，机械传动机构能够提供谱线扫描装置探头板85的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴。

如图33所示，机械传动机构包括能够带动框架64及谱线扫描装置探头板85前后运动的谱线扫描装置滑动轴80，相互连接的前后运动驱动步进电机81和前后运动驱动丝杠82，前后运动驱动步进电机81和前后运动驱动丝杠82用于控制谱线扫描装置滑动轴80的前后运动；

还包括互相连接的皮带轮传动结构78和探头扫描运动丝杠79；

还包括通过谱线扫描装置传动轴87与皮带轮传动结构78相连的扫描探头驱动步进电机77，扫描探头驱动步进电机77用于驱动探头扫描运动丝杠79使得谱线扫描装置探头板85能够在框架64上做与X轴成43°角的直线移动。

其中，谱线扫描装置传动轴87设置在谱线扫描装置滑动轴80的内部，沿谱线扫描装置滑动轴80的轴向贯穿谱线扫描装置滑动轴80。谱线扫描装置探头板85能够沿与X轴成43°角的直线移动。滑动轴8、谱线扫描装置传动轴87通过O型橡胶圈来实现动态密封。

谱线扫描装置的同位素谱线扫描方法，包括以下步骤：

步骤S1，选取一个Z＝0的平面，在离子束附近选择一个初始位置点A，A点坐标为(X_A，Y_A)；(离子束从同位素电磁分离器的离子源中通过三电极引出系统引出)

步骤S2，使谱线扫描装置探头86沿与X轴成43°角的直线移动到点B，B点坐标为(X_B，Y_B)，通过并扫描离子束，并同步输出谱线扫描装置探头86的空间位置信号和离子束的第二电流信号；(谱线扫描装置探头86的运动实际是依靠谱线扫描装置探头板85的运动来实现的，即谱线扫描装置探头板85沿与X轴成43°角的直线移动到点B)

步骤S3，调整始位置点为A₁至A_n，A₁点坐标为(X_A，Y_A1)，An点坐标为(X_A，Y_An)，每个点均重复步骤1、步骤2，完成Z＝0的平面的测量；

步骤S4，按照步骤S1～步骤S3，完成Z＝-100mm～+100mm不同平面的上述测量；

步骤S5，数据处理系统根据谱线扫描装置探头86的空间位置信号和收集到的离子束的第二电流信号获得离子束的空间分布图像，取峰高的1/2处为离子束的宽度b，b最小处所对应的空间位置就是离子束的聚焦处。

举例说明本发明所提供的谱线扫描装置在同位素分离中的实际应用。以铷(Rb)元素为例，由于铷元素有两个同位素(⁸⁵Rb、⁸⁷Rb)，在分离过程中会产生两条离子束，首先选取Z＝0的中间平面，在接收器附近有⁸⁵Rb，⁸⁷Rb两条离子束，如图38所示，P为测量的谱线扫描装置探头，初始位置A点的坐标为(X_A，Y_A)，它将沿与x轴成43°角的方向移动到B(X_B，Y_B)，并随时输出谱线扫描装置探头的空间位置信号，在移动过程中谱线扫描装置探头依次扫过⁸⁵Rb，⁸⁷Rb离子束，并有电的信号输出(第二电流信号示意见图39所示)。探头的空间位置信号与接收的第二电流信号可以绘成电流密度分布图，并记录储存。完成了一次扫面后，将谱线扫描装置探头的位置调到A1，A2，.....An，完成一系列的扫面测量，在完成了Z＝0中间平面的测量后，再按同样的方法完成Z＝-100mm～+100mm不同平面的上述测量。这样就完成了⁸⁵Rb和⁸⁷Rb离子束的空间分布的测量，根据束的空间分布可以获得像宽、高、形状、两像之间距离等数据。数据处理采用通常的方法，取峰高的1/2处为束的宽度(见图38，图中J1、J2分别为⁸⁵Rb和⁸⁷Rb离子束的峰高)，b1为⁸⁵Rb像宽，b2为⁸⁷Rb像宽，d为铷同位素的色散，当b1，b2的值为最小时此处就是聚焦点。

4.束流发射度仪

如图40所示，束流发射度仪设置在同位素电磁分离器上，靠近同位素电磁分离器在真空室94内、设有引出电极的离子源，引出电极上设有引出缝，离子源从引出电极的引出缝中射出离子束；束流发射度仪主要由四大部分构成，包括：发射度仪探头92、运动支撑机构、扫描电源、运动控制及数据采集系统。其中，运动支撑机构能够使发射度仪探头92在真空室94内的引出缝附近做往复直线运动，发射度仪探头92能够测量离子束的第三电流信号；连接发射度仪探头92的扫描电源为发射度仪探头92提供扫描电压；运动控制及数据采集系统用于控制动支撑机构、扫描电源，并处理发射度仪探头92所获得的第三电流信号。

关于束流发射度仪的原理

本发明提供的束流发射度仪主要用于测量同位素电磁分离器中的离子束束流在位置与动量的相空间上的分布(离子束从同位素电磁分离器的Calutron离子源中经引出电极的引出缝射出)，分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。因此，需要测量相空间上各点(X_i,p_j)上粒子数密度(用束流密度表征)。然而，X方向上的动量分量不能直接测量，需要转换成可直接测量的物理量：

p＝mv_x＝mv₀sinθ 公式(1)

其中，p为X方向上的动量，m是离子的质量，V₀是束流总速度，取决于加速电压V_a；

1/2mv₀ ²＝eV_a 公式(2)

其中，e为数学常数，一般保持不变。可以通过测量sinθ来获得p。在θ较小的情况下，

(dX是x轴方向的空间微分，dZ是z轴方向的空间微分)

此时可用X’来代替p，所获得的发射度测量数据类似于图52所示。

关于束流发射度仪的发射度仪探头

发射度的原理主要表现在发射度仪探头上，即扫描电压值与θ的对应关系。发射度仪探头由上下平行的低电位极板96和高电位极板97、前缝口99、后缝口100、抑制电极102、法拉第筒101等组成(见图46至图50)。如图46、图47所示在每个偏转电压(即扫描电压)下，都唯一对应一个θ，只有入射角度为θ的离子才能通过前缝口99、后缝口100，被法拉第筒101接收。法拉第筒101的接收电流表征入射角为θ的离子数量。低电位极板96、高电位极板97之间的间距为D，低电位极板96、高电位极板97长度为L，低电位极板96、高电位极板97上加载的扫描电压用V表示。

根据通过前缝口99、后缝口100的离子轨迹及公式(2)，得到：

因此，根据公式(4)，可以通过扫描电压来获得所有θ下离子的密度分布，得到的扫描结果如图52所示(图52中，Im为发射度仪探头测量的电流信号)。

发射度仪探头中还包括设置在后缝口100、法拉第筒101之间的抑制电极102(见图46)，抑制电极102加载抑制电压用于抑制二次电子的逃逸。抑制电压为300V。在存在磁场的情况下，二次电子被磁力线约束，可不需要抑制电极。

发射度仪探头是根据同位素电磁分离器上的Calutron离子源的束流参数来设计。本发明实施例中，同位素电磁分离器用于对铷元素(Rb)进行电磁分离，得到两种同位素(⁸⁵Rb、⁸⁷Rb)，离子束的束流能量为30keV，最大张角达到±14.5度，流强≤100mA。

如图40所示，发射度仪探头92设置在束流发射度仪上，束流发射度仪设置在同位素电磁分离器上。同位素电磁分离器包括设置在真空室94的真空环境中、设有引出电极的离子源，离子源从引出电极的引出缝中射出离子束95。发射度仪探头92通过发射度仪探头支架93安装在发射度仪上，连接关系见图43-图45。

如图46所示，发射度仪探头92包括上下平行设置的、用于静电偏转的低电位极板96、高电位极板97，高电位极板97设置在低电位极板96上方；设置在低电位极板96、高电位极板97两端的前缝口99和后缝口100，前缝口99靠近离子源的引出缝；还包括设置在后缝口100上的法拉第筒101；离子束95能够从前缝口99进入低电位极板96、高电位极板97之间经过静电偏转后，从后缝口100进入法拉第筒101。

发射度仪探头是发射度仪中最为核心的部件，它的尺寸设计直接关系到发射度仪的测量精度。在发射度仪探头的设计中，关键的尺寸有：

低电位极板96、高电位极板97之间的间距D；

低电位极板96、高电位极板97长度L；

前缝口99、后缝口100的缝口宽度d；

低电位极板96、高电位极板97加载的最大扫描电压Vmax。

在设计时，根据以下几个条件来确定以上几个参数的值。

S<D/2(S是离子束的抛物线高度)，即通过前缝口99、后缝口100的离子不能打到低电位极板96、高电位极板97上，如图47所示。根据离子轨迹，有如下关系：

(E是低电位极板96、高电位极板97间的电场强度，等于V/D)

则有

公式(5)必须恒成立。在本实施例中，Calutron离子源的离子束的张角都不超过14.5°。在对铷元素(Rb)进行电磁分离的工艺中，加速电压V_a≈30kVolt。结合公式(1)，可得到扫描电压的最大扫描值：

V≥2V_a sin²(14.5°)≈3.76kVolt 公式(6)

取V_max＝4kVolt

(R是离子束在电磁分离器中的偏转半径，B是电磁分离器中磁场强度)

当磁场大小为1000G时，R＝2310mm。取

L<231mm 公式(7)

α≤0.1°，α为缝口宽度d引起的误差，如图48所示。

结合公式(7)(8)可知：

d<0.81mm 公式(9)

出于加工可行性考虑，取d＝0.5mm，代入公式(8)可知，

L>143mm 公式(10)

由公式(4)可知，必须恒成立，

而V<4kVolt，因此必须有则，

D≥0.138L 公式(11)

根据公式(6)-(11)，可确定探头的几何尺寸为：

参数	单位(mm)	参数	单位(mm)	参数	单位(mm)
						L	200	D	30	d	0.5

即本发明所提供的发射度仪探头中：

低电位极板96、高电位极板97长度为200mm；

低电位极板96、高电位极板97之间的间距为30mm；

前缝口99、后缝口100宽度为0.5mm。

发射度仪探头支架93采用石墨材料制作,并用去离子水进行冷却(发射度仪探头92的法拉第筒101采用不锈钢材料制作)，前缝口99设置在前缝口板98上(见图46、47、48、50)，前缝口板98采用石墨材料制作。

发射度仪探头92上设有用于传输第三电流信号的信号连线，设置在法拉第筒101上(附图中未标出)，信号连线连接贯穿电极104，并通过贯穿电极104连接设置在探头外部的运动控制及数据采集系统(运动控制及数据采集系统位于离子源和离子束95所处的真空环境之外)，用于向运动控制及数据采集系统发送法拉第筒101获得的第三电流信号。

贯穿电极104一端位于真空室94内，通过信号连线与真空室94内的发射度仪探头92相连；另一端设置在真空室94之外的非真空环境中，连接运动控制及数据采集系统，用于向运动控制及数据采集系统发送发射度仪探头92的法拉第筒101获得的第三电流信号。贯穿电极104采用金属电极与陶瓷材料相结合，能够实现5kV高压的电气贯穿，陶瓷材料用于金属电极的绝缘。

发射度仪探头92的耐受功率达到1.5kW(30kV，50mA)，耐受功率是指能够耐受的离子束的最大功率。

此外，还包括设置在法拉第筒101外围的发射度仪探头屏蔽罩130(见图49)。

发射度仪探头92在不测量时，需要远离离子束避免轰击和损耗。在本实施例中，离子源的引出电极的引出缝距离发射度仪的发射度仪安装法兰91的法兰口660mm。

关于扫描电源

扫描电源设置在真空室94之外。扫描电源通过真空密封插头与真空室94中的发射度仪探头92连接。扫描电源的扫描电压为±5kV，扫描电压的扫描步长为20V。扫描电源设置在真空室94外，离子束95无法照射到，避免了离子束95对扫描电源的影响。

发射度仪探头92的低电位极板96、高电位极板97上加载扫描电压，因为最大扫描电压为4kVolt，由于θ有正负之分，故扫描电源的扫描范围应满足-4kVolt至4kVolt。为确保电源长时间稳定输出，选择扫描电源时，最大输出为5kVolt。即本发明所提供的发射度仪探头92的扫描电压为5kV。

对于扫描电压，扫描步长是比较关键的参数。从公式(4)可知，步长越小，θ的分辨越好。然而，太小的扫描步长会提高扫描电源的技术难度，甚至难以实现。并且扫描步长越小，扫描时间越长。因此，需要选择适合的扫描步长。

对公式(4)进行微分：

可写成：

取根据公式(3)必须恒成立的条件，可知

ΔV≤27.5Volt 公式(13)

实际选择扫描步长为20V，即发射度仪探头92的扫描电压的扫描步长为20V。

本发明所提供的发射度仪探头92中，低电位极板96、高电位极板97上设有偏压电源线(附图中未标出)，偏压电源线连接设置在发射度仪探头92外部的扫描电源(扫描电源位于离子源和离子束所处的真空环境之外)，用于扫描电源向低电位极板96、高电位极板97加载扫描电压。

扫描电源的输出由低电位电压信号源(0-10V)来控制，控制的对应关系为线性关系(如图51所示，图中output voltage为输出的扫描电压，control signal为低电位电压信号源的控制电压)。在0-2.5V时，扫描电源输出为零(即扫描电压为零)；低电位电压信号源的控制电压大于2.5V时，扫描电源输出有如下关系：

(S是控制电压信号)

其中，低电位电压信号源输出S＝2.5+0.015n，n＝0,1,……499.

关于运动支撑机构

如图40至图42所示，运动支撑机构设置在真空室94上，包括连接发射度仪步进电机88和螺母73的发射度仪丝杠89，还包括与螺母73相连、一端穿入真空室94的发射度仪传动杆90、设置在真空室94内的发射度仪传动杆90的一端的发射度仪探头支架93，发射度仪探头92安装在发射度仪探头支架93上，还包括把发射度仪传动杆90设置在真空室94上的发射度仪安装法兰91，发射度仪传动杆90能够在发射度仪步进电机88的驱动下带动发射度仪探头92做往复直线运动，其中，发射度仪传动杆90采用密封的波纹管实现运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，发射度仪传动杆90在真空室94中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。

发射度仪传动杆90在真空室94中的部分以及发射度仪探头支架93的耐受功率达到1.5kW(30kV，50mA)，耐受功率是指能够耐受的离子束的最大功率。

发射度仪安装法兰91的尺寸依据现有的同位素电磁分离器的法兰口尺寸而定，发射度仪传动杆90的运动范围根据离子源与法兰口的距离和需要扫描的范围而定。在分离器运行时，离子束的张角最大为±14.5°，而离子源出口离束流发射度仪的发射度仪探头92的位置有223mm。所以，发射度仪探头92需要扫描的区域为离子源的引出缝223mm×tan(±14.5°)≈±57.5mm。由此可知，发射度仪传动杆90的运动范围需要大于115mm。

关于运动控制及数据采集系统

运动控制及数据采集系统设置在真空室94之外(在本实施例中，运动控制及数据采集系统采用第二PLC模块)，连接运动支撑机构、扫描电源和发射度仪探头92，其中，运动控制及数据采集系统通过贯穿电极104与发射度仪探头92上的信号连线连接。

运动控制及数据采集系统用于控制运动支撑机构的运动、控制扫描电源的开启关闭和扫描电压的输出，以及处理发射度仪探头92所获得的第三电流信号，记录运动支撑机构的位置信号，显示探测结果。

关于发射度的探测方法

本发明还提供了一种用于上述束流发射度仪的发射度探测方法，包括如下步骤：

步骤S1，

关闭扫描电源；

开启运动支撑机构的发射度仪步进电机88的电源；

设置发射度仪步进电机88的运行速度为5mm/s；

使发射度仪传动杆90复位至初始状态；

设定发射度仪探头92的当前位置为“0mm”；

设定发射度仪探头92的目标位置为“200mm”；

步骤S2，

启动发射度仪步进电机88，使发射度仪探头92从“0mm”位置至“200mm”位置做匀速直线运动扫过离子束，得到离子束的束流密度分布图像；

控制发射度仪步进电机88，使发射度仪探头92回到“0mm”位置；

根据束流密度分布图像得到束流密度分布图像中全高宽对应的两个坐标X1、X2，作为发射度仪探头92扫描的起始位置X1和终止位置X2；

(以上步骤的目的是为了避免在不必要的空间位置浪费时间和宝贵的同位素资源)

步骤S3，设置发射度仪步进电机88的起始位置为X1，设置束流发射度仪的空间分辨率的单位(例如5mm)；

步骤S4，启动发射度仪步进电机88，使发射度仪步进电机88从“0mm”位置运行到X1位置；

步骤S5，开启扫描电源，发射度仪探头92开始扫描；扫描完毕，关闭扫描电源；

步骤S6，控制发射度仪步进电机88按照步骤S3中空间分辨率的单位前进一步(例如5mm)；

步骤S7，开启扫描电源，发射度仪探头92开始扫描；扫描完毕，关闭扫描电源；

步骤S8，重复步骤S6、步骤S7，直到发射度仪探头92移动超过X2位置为止。

5.张角测量仪

张角测量仪设置在同位素电磁分离器上，同位素电磁分离器包括设置在真空室94内、设有引出电极的离子源，离子束95从引出电极的引出缝112中射出，离子束95在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，Y轴方向为离子束95的发射方向。离子束95的张角是用装在离子源的引出缝112前的张角测量仪测量得到的。

如图53所示，本发明所提供的张角测量仪包括设置在真空室94内的第一张角测量仪探头110、第二张角测量仪探头109，通过第一张角测量仪探头110测量得到的第四电流信号能够获得所述离子束95的束流流强，通过第二张角测量仪探头109测量得到的第五电流信号能够获得离子束95的束流的空间密度分布，通过空间密度分布能够得到离子束95的束流张角；还包括第三PLC模块，第三PLC模块能够采集、记录第一张角测量仪探头110、第二张角测量仪探头109的空间位置信号和所述第四、第五电流信号的空间位置信号和第四、第五电流信号(在本实施例中使用航空插头124实现对信号的接入和测控，如图56所示，航空插头124设置在张角测量仪安装法兰105上)

如图53所示，第二张角测量仪探头109靠近引出缝112，第一张角测量仪探头110远离引出缝112(第二张角测量仪探头109在引出缝112和第一张角测量仪探头110之间)。在y＝110mm，或y＝150mm处，在z＝0的中心平面安装第二张角测量仪探头109(也就是以引出缝112为坐标系的原点，将第二张角测量仪探头109设置在引出缝112之前110mm或者150mm处)，沿X轴方向(即近似的垂直于离子束95的行进方向)扫描，测出离子束95沿X轴方向的电流密度分布j(x),并由j(x)确定离子束95的张角。

如图53-图55所示，第二张角测量仪探头109通过探头运动装置设置在真空室94内，探头运动装置能够带动第二张角测量仪探头109运动，第二张角测量仪探头109的二维运动范围包括沿X轴方向运动±115mm，沿垂直于X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm。

第一张角测量仪探头110通过探头运动装置设置在真空室94内；探头运动装置能够使第一张角测量仪探头110翻转到偏离离子束95的位置，不影响离子源的正常出束，不遮挡离子束95的束流。第一张角测量仪探头110由一个大法拉第筒构成，大法拉第筒能够测量的束流流强达到50mA。大法拉第筒采用水冷冷却。在本实施例中，第一张角测量仪探头110的大法拉第筒的翻转角度为90°。

探头运动装置通过张角测量仪安装法兰105设置在同位素电磁分离器上。

如图53-图55所示，探头运动装置贯穿设置在同位素电磁分离器的真空室94上，采用旋转动密封实现探头运动装置在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿。探头运动装置包括：

控制第一张角测量仪探头110进行翻转运动的第一张角测量仪步进电机126、控制第二张角测量仪探头109进行二维运动的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128。

连接并带动第一张角测量仪探头110运动的第一张角测量仪探头驱动轴108，第一张角测量仪步进电机126设置在第一张角测量仪探头驱动轴108一端(非真空环境中)，在第一张角测量仪步进电机126的驱动下第一张角测量仪探头驱动轴108能够使第一张角测量仪探头110翻转到偏离离子束95的位置；

连接并带动第二张角测量仪探头109运动的丝杠驱动器106、第二张角测量仪探头驱动轴107、第二张角测量仪探头驱动结构111等，能够带动第二张角测量仪探头109沿X轴方向运动±115mm；其中，第二张角测量仪步进电机127设置在第二张角测量仪探头驱动轴107一端(非真空环境中)，第三张角测量仪步进电机128设置在丝杠驱动器106一端(非真空环境中)。

其中第二张角测量仪探头驱动结构111(如图57所示)又包括：传动齿轮118、张角测量仪传动杆119、探头驱动杆120、变向传动齿轮121、探头螺纹导杆122和探头安装杆123；第二张角测量仪探头109通过第二张角测量仪探头驱动结构111与丝杠驱动器106、第二张角测量仪探头驱动轴107相连，并能够在第二张角测量仪探头驱动结构111的带动下完成沿垂直于X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm的运动控制。

如图58、图59所示，第二张角测量仪探头109包括探头面板113及设置在探头面板113上的若干个开口朝向一致的张角测量仪小法拉第筒117(在本实施例中，张角测量仪小法拉第筒117为2个)。张角测量仪小法拉第筒117的直径小于1mm。探头面板113通过固定连片114，螺钉26固定在第二张角测量仪探头驱动结构111上。张角测量仪小法拉第筒117同样采用螺钉26固定在探头面板113上，张角测量仪小法拉第筒117外围设有第二张角测量仪探头屏蔽罩115，张角测量仪小法拉第筒117与第二张角测量仪探头屏蔽罩115之间设有探头绝缘子116。

关于张角测量仪的性能测试，测量离子束95的张角时，张角测量仪在离子源的引出缝112附近横截面上测量。获得的数据大致如图60所示。I为第二张角测量仪探头109的第五电流信号，Z为图60中的X轴方向距离，d为信号的半高宽。由半高宽d可获得离子束95的张角α/2大小。

根据公式：

其中，L为张角测量仪的第二张角测量仪探头109与离子源的引出缝112的垂直距离。L的大小可以从张角测量仪的物理设计得到，在本实施例所采用的同位素电磁分离器上，L＝173mm。按照张角测量仪的指标：α/2＝14.5°，

则需要扫描的距离为：

d＝2×173×tan 14.5°≈89.5mm

因此，测试过程中，张角测量仪的第二张角测量仪探头109在X轴方向运动达到89.5mm时，测量张角可达14.5°。

6.谱线扫描装置控制系统

谱线扫描装置控制系统(如图61所示)，包括连接有第一显示控制设备的第一PLC模块，其中，第一PLC模块与谱线扫描装置相连；能够实现对谱线扫描装置的运动与位置跟踪、信号获取和信号处理。

第一PLC模块能够采集、记录谱线扫描装置探头86的空间位置信号(包括位置坐标)和第二电流信号；

第一显示控制设备用于显示机械传动机构的运动和位置数据(包括位置坐标)、第一PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制机械传动机构的控制指令、并通过第一PLC模块向机械传动机构发送控制指令，控制机械传动机构的运行。在本实施例中，第一显示控制设备采用触摸屏，通过触摸屏精确调节谱线扫描装置的机械传动机构的位置参数(包括位置坐标)，并精确测量离子束的束流参数。

第一显示控制设备输入的、并通过第一PLC模块向机械传动机构发送的控制指令包括：

设置扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81当前的位置坐标、运行速度；

控制扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81运动与停止。

第一显示控制设备显示的机械传动机构的运动和位置数据、第一PLC模块获得的信号数据包括：

扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81的目标位置坐标、运行速度、步数；

扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81当前的位置坐标、运行速度；

离子束的第二电流信号，第二电流信号为离子束的电流值；

对电流值、电压值进行处理后形成的与谱线扫描装置探头86的空间位置信号(包括位置坐标)一一对应的束流密度分布图像(如图39所示)。

因为同位素电磁分离器中存在强磁场，会对步进电机产生影响，进而影响谱线扫描装置的测量效果，因此本发明还包括对扫描探头驱动步进电机77和前后运动驱动步进电机81采用磁屏蔽，通过磁屏蔽以及对步进电机的位置进行控制，解决强磁场对步进电机的影响，保证谱线扫描装置的测量效果不受干扰。

谱线扫描装置控制系统使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：离子束的第二电流信号、机械传动机构的运动和位置数据、第一PLC模块获得的信号数据、向机械传动机构发送的控制指令等等。

7.束流发射度仪控制系统

束流发射度仪控制系统包括连接有第二显示控制设备的第二PLC模块(见图62)，其中，第二PLC模块与设置在同位素电磁分离器的接收器上的束流发射度仪相连；束流发射度仪(见图40)包括设置有发射度仪探头92的运动支撑机构，运动支撑机构能够使发射度仪探头92在位于同位素电磁分离器的真空室94内的引出电极的引出缝附近做往复直线运动(引出电极位于离子源的头部，离子源中的离子束从引出电极上的引出缝中射出)，发射度仪探头92能够测量离子束的第三电流信号；还包括连接发射度仪探头92的扫描电源；第二PLC模块用于控制动支撑机构、扫描电源、处理发射度仪探头92所获得的第三电流信号。

第二显示控制设备用于显示运动支撑机构的运动和位置数据、第二PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制运动支撑机构的控制指令、通过第二PLC模块控制运动支撑机构的运行。在本实施例中，第二显示控制设备为触控屏。

如图40所示，运动支撑机构设置在真空室94上，包括连接发射度仪步进电机88和螺母73的发射度仪丝杠89，还包括与螺母73相连、一端穿入真空室94的发射度仪传动杆90、设置在真空室94内的发射度仪传动杆90的一端的发射度仪探头支架93，发射度仪探头92安装在发射度仪探头支架93上，还包括把发射度仪传动杆90设置在真空室94上的发射度仪安装法兰91，发射度仪传动杆90能够在发射度仪步进电机88的驱动下带动发射度仪探头92做往复直线运动，其中，发射度仪传动杆90采用密封的波纹管实现运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，发射度仪传动杆90在真空室94中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。

通过第二显示控制设备输入的控制指令包括：

离子束的当前束流参数；

发射度仪探头92的探头参数；

对扫描电源的开启、关闭；

对运动支撑机构的发射度仪步进电机88的电源开启、关闭；

设置发射度仪步进电机88的运行速度；

使传动杆复位至初始状态；

设定发射度仪探头92的当前位置；

设定发射度仪探头92的目标位置；

控制发射度仪探头92回到当前位置；

设置发射度仪步进电机88的起始位置；

设置发射度仪步进电机88的终止位置；

设置束流发射度仪的空间分辨率的单位；

对发射度仪步进电机88启动、关闭；

控制发射度仪步进电机88按照空间分辨率的单位前进一步。

第二显示控制设备显示的运动支撑机构的运动和位置数据、第二PLC模块获得的信号数据包括：

发射度仪探头92的探头参数；

扫描电源的开启、关闭；

运动支撑机构的发射度仪步进电机88的电源开启、关闭；

发射度仪步进电机88的运行速度；

传动杆复位至初始状态；

发射度仪探头92的当前位置；

发射度仪探头92的目标位置；

发射度仪步进电机88的起始位置；

发射度仪步进电机88的终止位置；

束流发射度仪的空间分辨率的单位；

发射度仪步进电机88启动、关闭；

离子束的束流密度分布图像；

发射度相图；

发射度数值。

此外，束流发射度仪控制系统还包括三个指示灯，分别为电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯(在本实施例中，电源指示灯为红色、待机指示灯为黄色、运行指示灯为绿色)，电源指示灯恒亮表示束流发射度仪控制系统通电良好，待机指示灯恒亮表示发射度仪步进电机88未动作或停止了动作，运行指示灯恒亮表示发射度仪步进电机88正在运行。其中，待机指示灯与运行指示灯不同时点亮。

本发明提供的束流发射度仪控制系统具备限位功能，即限制发射度仪步进电机88越过规定行程的两端。

8.张角测量仪控制系统

张角测量仪控制系统，包括连接有第三显示控制设备的第三PLC模块(见图63)，其中，第三PLC模块与设置在同位素电磁分离器上的张角测量仪相连。在本实施例中，第三显示控制设备采用触摸屏。

第三显示控制设备输入的、并通过第三PLC模块向探头运动装置发送的控制指令包括：

设置与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128的当前的位置坐标、运行速度；

控制与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128的运动与停止，实现第二张角测量仪探头109的二维运动；

还包括：设置与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126的当前的位置坐标、运行速度；

控制与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126的运动与停止，实现第一张角测量仪探头110的翻转。

第三显示控制设备显示的探头运动装置的运动和位置数据、第三PLC模块获得的信号数据包括：

与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128的目标位置坐标、运行速度、步数；

与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128的当前的位置坐标、运行速度；

第二张角测量仪探头109探测得到的离子束的第五电流信号，第五电流信号包括离子束的电流值、电压值；

对电流值、电压值进行处理后形成的与第二张角测量仪探头109的空间位置信号一一对应的束流密度分布图像(如图60所示)；

还包括：

与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126的目标位置坐标、运行速度、步数；

与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126的当前的位置坐标、运行速度；

第一张角测量仪探头110探测得到的离子束的第四电流信号，第四电流信号包括离子束的电流值。

还包括对与第二张角测量仪探头109相连的第二张角测量仪步进电机127、第三张角测量仪步进电机128以及与第一张角测量仪探头110相连的第一张角测量仪步进电机126进行屏蔽。屏蔽的方式为磁屏蔽。

由于步进电机根据带电导线切割磁力线而运动，强磁场会改变步进电机内原有的磁场大小和方向，使步进电机不能正常运转。磁屏蔽可以避免外界磁力线进入步进电机而保证步进电机正常工作；控制步进电机与电磁铁的位置，可使步进电机在磁场微弱到不足以产生干扰的位置工作。

张角测量仪上还包括张角测量仪安装法兰105(通过张角测量仪安装法兰105将张角测量仪安装在同位素电磁分离器的真空室94上)，如图56所示，张角测量仪安装法兰105上设有航空插头124，通过航空插头124实现对信号的接入和测控，信号包括：第一张角测量仪探头110、第二张角测量仪探头109探测到的第四、第五电流信号；探头运动装置的运动和位置数据、第三PLC模块获得的信号数据、用于控制探头运动装置的控制指令。

Claims (7)

1.一种同位素电磁分离器，包括离子源、接收器系统、真空系统、检测系统、控制系统，其特征是：所述的离子源包括弧放电室(15)以及与所述弧放电室(15)后部直接密封连接的坩埚(8)，弧放电室(15)前部设有用于引出离子束的引出电极；所述的接收器系统设置在真空系统的真空室(94)内，包括通过绝缘子设置在框架(64)上的面板(52)，所述面板(52)上设有能够通过电磁分离后的同位素离子束的入射缝(65)，在所述框架(52)上还设有能够接收从所述入射缝(65)通过的离子束的接收口袋(50)，所述框架(64)设置在能够前后移动的接收器滑动轴(61)上，所述接收口袋(50)、面板(52)能够随所述接收器滑动轴(61)前后移动；所述的检测系统包括谱线扫描装置、束流发射度仪和张角测量仪；

所述离子源设置在所述真空室内的磁场中，所述磁场的磁力线方向与所述离子源中离子束引出方向垂直，还包括设置在所述坩埚(8)外围的坩埚加热炉筒(10)，设置在所述弧放电室(15)顶部的阴极(5)和灯丝(4)；

所述弧放电室(15)包括设置在所述弧放电室(15)后部、通过坩埚接口(23)与所述坩埚(8)连通的蒸汽分配室(7)，设置在所述坩埚接口(23)上的船形板(24)，还包括通过蒸汽分配板(30)与所述蒸汽分配室(7)相隔离的放电室(14)，所述放电室(14)顶端设置有电子窗(6)，还包括设置在所述弧放电室(15)外围的弧室加热器(32)，所述阴极(5)靠近所述电子窗(6)，所述电子窗(6)距离所述放电室(14)的边缘为0.5mm，所述阴极(5)包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时；

所述引出电极为三电极结构，包含从所述放电室(14)向外依次设置的引出缝电极(3)、聚焦电极(2)、接地电极(1)；所述引出缝电极(3)处于正高压，设有第一引出缝(13)；所述聚焦电极(2)处于负高压，设有第二引出缝(12)；所述接地电极(1)处于零电位，设有第三引出缝(11)；

所述蒸汽分配板(30)通过设置在所述蒸汽分配室(7)与所述放电室(14)之间的分配板插槽(22)安装在所述弧放电室(15)内部；

所述引出缝电极(3)设置在引出缝面板(31)上，所述引出缝面板(31)通过设置在所述放电室(14)上的引出缝面板插槽(21)安装在所述放电室(14)上；

所述电子窗(6)通过所述放电室(14)顶端的电子窗插槽(20)设置在所述放电室(14)上；

所述引出缝电极(3)上的所述第一引出缝(13)为窄条状，纵向为曲面，曲率半径为2600mm，所述电子窗(6)的边沿到所述第一引出缝(13)的距离为0.5mm；

所述引出缝电极(3)、聚焦电极(2)、接地电极(1)的极间距离能够调整，所述聚焦电极(2)的聚焦电压能够调整；

在离子源的靠近所述引出电极的头部设有气化放电装置(36)，在离子源中部(34)设有防打火罩(33)，所述防打火罩(33)能够防止所述气化放电装置(36)产生的慢电子对所述离子源中的零部件的轰击；

在所述弧放电室(15)两侧安装PIG板(35)，所述PIG板(35)能够改变所述弧放电室(15)中的电场分布，减少所述弧放电室(15)周围的电子震荡放电；所述PIG板(35)为不锈钢材质；

所述离子源设置在同位素电磁分离器的真空室内；

所述坩埚(8)与所述坩埚加热炉筒(10)之间采用陶瓷套筒(38)作为绝缘支撑；

所述聚焦电极(2)所处的负高压部分采用引入绝缘和支撑绝缘，所述引入绝缘的引入绝缘子(131)一半在所述弧放电室(15)的真空中，另一半在所述弧放电室(15)外的大气中；所述支撑绝缘用于所述聚焦电极(2)的绝缘支撑，采用多波纹支撑绝缘子(132)；

所述引入绝缘子(131)、多波纹支撑绝缘子(132)采用Al₂O₃材质；

所述弧放电室(15)、坩埚(8)、坩埚加热炉筒(10)、弧室加热器(32)采用高纯石墨或不锈钢制作；

所述聚焦电极(2)包括支撑板(42)和设置在所述支撑板(42)上的缝口面板(43)，设置在所述缝口面板(43)上的用于引出离子束的第二引出缝(12)，所述缝口面板(43)采用高纯石墨制作；

所述缝口面板(43)上的所述第二引出缝(12)向靠近所述引出缝电极(3)一侧凹陷；

所述支撑板(42)与所述缝口面板(43)连接的部分为凹陷结构(48)，所述凹陷结构(48)向靠近所述引出缝电极(3)一侧凹陷；

所述支撑板(42)在所述缝口面板(43)周围的部分为镂空结构(44)了；所述支撑板(42)采用不锈钢制作并设有若干透气孔(45)；

所述接收器系统包括设置在所述同位素电磁分离器的真空室的真空环境中的接收器和接收口袋；所述接收器包括通过绝缘子设置在框架(64)上的面板(52)，所述面板(52)上设有入射缝(65)，所述入射缝(65)能够通过电磁分离后的同位素离子束；还包括设置在所述框架(64)上的接收口袋(50)，所述接收口袋(50)能够接收从所述入射缝(65)通过的所述离子束；所述框架(64)设置在能够前后移动的接收器滑动轴(61)上，所述接收口袋(50)、面板(52)能够随所述接收器滑动轴(61)前后移动；

所述入射缝(65)不止一个；根据分离后的所述同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个所述入射缝(65)的缝宽各不相同；每个所述入射缝(65)对应一个与所述入射缝(65)的缝宽相匹配的特定厚度的所述接收口袋(50)；相对应的所述入射缝(65)和所述接收口袋(50)能够使得从所述入射缝(65)通过的所述离子束全部进入所述接收口袋(50)中，所述接收口袋(50)能够降低所述离子束的溅射作用，所述接收口袋(50)具有弯曲弧度，所述弯曲弧度的曲率半径为980mm；

所述接收器滑动轴(61)的滑动控制采用不破坏所述真空环境的远程控制方式，所述框架(64)、接收器滑动轴(61)采用不锈钢制作；

所述接收口袋(50)设有用于降温的冷却水管(51)，通过水冷降温降低所述离子束的溅射作用；

所述面板(52)采用高纯石墨制作，所述接收口袋(50)采用紫铜制作，所述接收口袋(50)能够耐受最大功率为2kW的离子束；

还设置有水分配柱(58)和与所述水分配柱(58)相连的多个水冷接头(62)，所述水冷接头(62)之间并联，所述水冷接头(62)用于同所述接收口袋(50)上的所述冷却水管(51)相连，为所述接收口袋(50)提供冷却用水；

所述水分配柱(58)采用绝缘的聚四氟乙烯制作，所述冷却水管(51)采用恒温水冷却；

所述水分配柱(58)、水冷接头(62)、冷却水管(51)能够耐0.6MPa水压；

还包括通过所述绝缘子设置在所述框架(64)上的能够开启闭合的挡门(63)，闭合时能够将所述面板(52)上的所述入射缝(65)挡住，开启时能够允许所述离子束通过所述入射缝(65)；

所述面板(52)由高纯石墨制成的，所述挡门(63)采用不破坏所述真空环境的远程控制方式开启闭合；

所述接收器上设有水冷接头(62)，所述通过电磁分离后的同位素为铷同位素，所述铷同位素包括⁸⁵Rb和⁸⁷Rb，所述接收口袋(50)的袋体采用3mm厚的紫铜材料制作，包括位于所述接收口袋(50)一侧的第一盒板(67)，位于所述接收口袋(50)另一侧的第二盒板(68)，所述接收口袋(50)能在收集所述离子束的同时检测所述离子束的束流流强；所述接收口袋(50)的外围设有能够耐0.6MPa水压的冷却水管(51)，所述冷却水管(51)通过水管接头(76)和螺母(73)与所述水冷接头(62)相连；

还包括设置在所述接收口袋(50)外围的上固定板(69)、下固定板(72)、接线柱(70)，所述上固定板(69)、下固定板(72)用于将所述接收口袋固定在所述接收器上，所述接线柱(70)用于将所述离子束的束流强度输出为第一电流信号，所述第一电流信号用于检测所述离子束的束流流强；

还包括设置在所述下固定板(72)上的用于所述接收口袋(50)、下固定板(72)之间绝缘的陶瓷环(74)、陶瓷圈(75)；

所述接收口袋(50)的高度为250mm，内部深度为100mm，能够接收最大离子流为≤50mA，能够耐受最大功率为2kW的离子束的轰击，真空度能够达到1～3×10^-3Pa；

用于接收所述⁸⁵Rb的接收口袋的厚度为25mm，用于接收所述⁸⁷Rb的接收口袋的厚度为20mm。

2.如权利要求1所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述谱线扫描装置设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括直径为1mm的法拉第筒制成的谱线扫描装置探头(86)，所述谱线扫描装置探头(86)能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的第二电流信号，所述谱线扫描装置探头(86)设置在谱线扫描装置探头板(85)上，所述谱线扫描装置探头板(85)设置在所述同位素电磁分离器中的接收器的框架(64)上，还包括设置在所述接收器上的能够使所述谱线扫描装置探头板(85)做三维移动的机械传动机构，还包括与所述谱线扫描装置探头(86)相连的电子线路，以及同所述电子线路相连的数据处理系统，所述数据处理系统能够采集、显示、记录所述谱线扫描装置探头(86)的空间位置信号和所述离子束的所述第二电流信号；

所述谱线扫描装置探头(86)不止一个，直线分布在所述谱线扫描装置探头板(85)上，间距20mm，开口方向一致，所述电子线路与所述谱线扫描装置探头(86)一一对应；所述法拉第筒为不锈钢材质，所述谱线扫描装置探头板(85)采用高纯石墨制作，所述谱线扫描装置探头(86)和所述谱线扫描装置探头板(85)之间设有采用氮化硼制作的绝缘层(14)；

所述机械传动机构能够提供所述谱线扫描装置探头板(85)的三位移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴；

所述谱线扫描装置探头板(85)能够在所述框架(64)上做与所述X轴成43°角的直线移动；

所述机械传动机构包括能够带动所述框架(64)及所述谱线扫描装置探头板(85)前后运动的谱线扫描装置滑动轴(80)，相互连接的前后运动驱动步进电机(81)和前后运动驱动丝杠(82)，所述前后运动驱动步进电机(81)和前后运动驱动丝杠(82)用于控制所述谱线扫描装置滑动轴(80)的前后运动；

还包括互相连接的皮带轮传动结构(78)和探头扫描运动丝杠(79)；

还包括通过谱线扫描装置传动轴(87)与所述皮带轮传动结构(78)相连的扫描探头驱动步进电机(77)，所述扫描探头驱动步进电机(77)用于驱动探头扫描运动丝杠(79)使所述谱线扫描装置探头板(85)能够在所述框架(64)上做与所述X轴成43°角的直线移动；

所述谱线扫描装置传动轴(87)沿所述谱线扫描装置滑动轴(80)的轴向贯穿所述谱线扫描装置滑动轴(80)；所述谱线扫描装置滑动轴(80)、谱线扫描装置传动轴(87)通过O型橡胶圈来实现动态密封。

3.如权利要求1所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述束流发射度仪包括设置有发射度仪探头(92)的运动支撑机构，所述运动支撑机构能够使所述发射度仪探头(92)在所述真空室(94)内的所述引出电极附近做往复直线运动，所述发射度仪探头(92)能够测量所述引出电极中射出的所述离子束的第三电流信号；还包括设置在所述真空室(94)之外、通过真空密封插头连接所述发射度仪探头(92)的扫描电源；还包括设置在所述真空室(94)之外、控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述发射度仪探头(92)所获得的所述第三电流信号的运动控制及数据采集系统；

所述运动支撑机构设置在所述真空室(94)上，包括连接发射度仪步进电机(88)和螺母(73)的发射度仪丝杠(89)，还包括与所述螺母(73)相连、一端穿入所述真空室(94)的发射度仪传动杆(90)、设置在所述真空室(94)内的所述发射度仪传动杆(90)的一端的发射度仪探头支架(93)，所述发射度仪探头(92)安装在所述发射度仪探头支架(93)上，还包括把所述发射度仪传动杆(90)设置在所述真空室(94)上的发射度仪安装法兰(91)，所述发射度仪传动杆(90)能够在所述发射度仪步进电机(88)的驱动下带动所述发射度仪探头(92)做往复直线运动；所述发射度仪传动杆(90)采用密封的波纹管实现所述运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，所述发射度仪传动杆(90)在所述真空室(94)中的往复直线运动的行程能够达到±105mm；

所述发射度仪传动杆(90)在所述真空室(94)中的部分以及所述发射度仪探头支架(93)、发射度仪探头(92)的耐受功率达到1.5kW，所述耐受功率是指能够耐受的所述离子束的最大功率；

还包括贯穿电极(104)，所述贯穿电极(104)一端与所述真空室(94)内的所述发射度仪探头(92)相连，另一端设置在所述真空室(94)之外的非真空环境中，所述贯穿电极(104)采用金属电极与陶瓷材料相结合，能够实现5kV高压的电气贯穿，用于传输所述第三电流信号，所述陶瓷材料用于所述金属电极的绝缘；

所述扫描电源的扫描电压为±5kV，所述扫描电压的扫描步长为20V；所述发射度仪探头(92)上设有用于传输所述第三电流信号的信号连线，所述运动控制及数据采集系统通过所述贯穿电极(104)与所述真空室(94)中的所述信号连线连接；

所述发射度仪探头(92)包括上下平行设置的、用于静电偏转的低电位极板(96)、高电位极板(97)，所述高电位极板(97)设置在所述低电位极板(96)上方；设置在所述低电位极板(96)、高电位极板(97)两端的前缝口(99)和后缝口(100)，所述前缝口(99)靠近所述离子源的所述引出电极；还包括设置在所述后缝口(100)上的法拉第筒(101)；所述离子束能够从所述前缝口(99)进入所述低电位极板(96)、高电位极板(97)之间经过静电偏转后，从所述后缝口(100)进入所述法拉第筒(101)；

所述低电位极板(96)、高电位极板(97)长度为200mm；

所述低电位极板(96)、高电位极板(97)之间的间距为30mm；

所述前缝口(99)、后缝口(100)宽度为0.5mm；

所述低电位极板(96)、高电位极板(97)上加载扫描电压；

在所述后缝口(100)、法拉第筒(101)之间设有用于抑制二次电子逃逸的抑制电极(102)，所述抑制电极(102)加载的抑制电压为300V；

所述法拉第筒(101)采用不锈钢材料制作,所述前缝口(99)设置在前缝口板(98)上，所述前缝口板(98)采用高纯石墨制作；

所述低电位极板(96)、高电位极板(97)上设有偏压电源线，所述偏压电源线连接所述扫描电源，用于所述扫描电源向所述低电位极板(96)、高电位极板(97)加载所述扫描电压。

4.如权利要求1所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述张角测量仪设置在所述离子源的所述引出电极前端，所述引出电极设有引出缝(112)，用于引出所述离子束(95)，所述离子束(95)在Y轴方向上收拢，在X轴方向上发散，所述Y轴方向为所述离子束(95)的发射方向，所述张角测量仪包括设置在所述真空室(94)内的第一张角测量仪探头(110)、第二张角测量仪探头(109)，通过所述第一张角测量仪探头(110)测量得到的第四电流信号能够获得所述离子束(95)的束流流强，通过所述第二张角测量仪探头(109)测量得到的第五电流信号能够获得所述离子束(95)的束流的空间密度分布，通过所述空间密度分布能够得到所述离子束(95)的束流张角；还包括能够采集、记录第一张角测量仪探头(110)、第二张角测量仪探头(109)的空间位置信号和所述第四、第五电流信号的第三PLC模块；

所述第一张角测量仪探头(110)、第二张角测量仪探头(109)通过探头运动装置设置在所述真空室(94)内，所述第二张角测量仪探头(109)靠近所述引出缝(112)，所述探头运动装置能够带动所述第二张角测量仪探头(109)运动，所述第二张角测量仪探头(109)的二维运动范围包括沿所述X轴方向运动±115mm，沿垂直于所述X轴、Y轴的Z轴方向运动±100mm；所述第一张角测量仪探头(110)远离所述引出缝(112)；所述探头运动装置能够使所述第一张角测量仪探头(110)翻转到偏离所述离子束(95)的位置；

所述探头运动装置贯穿设置在所述真空室(94)上，采用旋转动密封实现所述探头运动装置在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿；

所述第一张角测量仪探头(110)由一个采用水冷冷却的大法拉第筒构成，所述大法拉第筒能够测量的所述束流流强达到50mA；

所述第二张角测量仪探头(109)包括探头面板(113)及设置在所述探头面板(113)上的若干个开口朝向一致的张角测量仪小法拉第筒(117)；

所述张角测量仪小法拉第筒(117)的直径小于1mm；所述张角测量仪小法拉第筒(117)外围设有第二张角测量仪探头屏蔽罩(115)；所述张角测量仪小法拉第筒(117)与所述第二张角测量仪探头屏蔽罩(115)之间设有探头绝缘子(116)。

5.如权利要求2所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述控制系统包括谱线扫描装置控制系统，所述谱线扫描装置控制系统包括连接有第一显示控制设备的第一PLC模块，所述第一PLC模块与所述谱线扫描装置相连；所述第一PLC模块能够采集、记录所述谱线扫描装置探头(86)的空间位置信号和所述第二电流信号；所述第一显示控制设备用于显示所述机械传动机构的运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述机械传动机构的控制指令、通过所述第一PLC模块控制所述机械传动机构的运行；

通过所述第一显示控制设备输入的所述控制指令包括：

设置所述扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)当前的位置坐标、运行速度；

控制扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)运动与停止；

所述第一显示控制设备显示的所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的所述信号数据包括：

所述扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)当前的位置坐标、运行速度；

所述离子束的所述第二电流信号，所述第二电流信号为所述离子束的电流值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述谱线扫描装置探头(86)的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括对所述扫描探头驱动步进电机(77)和所述前后运动驱动步进电机(81)进行磁屏蔽；

使用航空插头实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述离子束的所述第二电流信号、所述机械传动机构的所述运动和位置数据、所述第一PLC模块获得的所述信号数据、向所述机械传动机构发送的所述控制指令。

6.如权利要求3所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述控制系统包括束流发射度仪控制系统，所述束流发射度仪控制系统包括连接有第二显示控制设备的第二PLC模块，所述第二PLC模块与所述束流发射度仪相连；所述第二PLC模块用于控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述发射度仪探头(92)所获得的所述第三电流信号；

所述第二显示控制设备用于显示所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述第二PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述运动支撑机构的控制指令、通过所述第二PLC模块控制所述运动支撑机构的运行；

通过所述第二显示控制设备输入的控制指令包括：

所述离子束的当前束流参数；

所述发射度仪探头(92)的探头参数；

对所述扫描电源的开启、关闭；

对所述运动支撑机构的所述发射度仪步进电机(88)的电源开启、关闭；

设置所述发射度仪步进电机(88)的运行速度；

使所述传动杆复位至初始状态；

设定所述发射度仪探头(92)的当前位置；

设定所述发射度仪探头(92)的目标位置；

控制所述发射度仪探头(92)回到所述当前位置；

设置所述发射度仪步进电机(88)的起始位置；

设置所述发射度仪步进电机(88)的终止位置；

设置所述束流发射度仪的空间分辨率的单位；

对所述发射度仪步进电机(88)启动、关闭；

控制所述发射度仪步进电机(88)按照所述空间分辨率的单位前进一步；

所述第二显示控制设备显示的所述运动支撑机构的运动和位置数据、所述第二PLC模块获得的所述信号数据包括：

所述发射度仪探头(92)的探头参数；

所述扫描电源的开启、关闭；

所述运动支撑机构的所述发射度仪步进电机(88)的电源开启、关闭；

所述发射度仪步进电机(88)的运行速度；

所述传动杆复位至初始状态；

所述发射度仪探头(92)的当前位置；

所述发射度仪探头(92)的目标位置；

所述发射度仪步进电机(88)的起始位置；

所述发射度仪步进电机(88)的终止位置；

所述束流发射度仪的空间分辨率的单位；

所述发射度仪步进电机(88)启动、关闭；

所述离子束的束流密度分布图像；

发射度相图；

发射度数值；

所述束流发射度仪控制系统，还包括电源指示灯、待机指示灯、运行指示灯，所述待机指示灯与所述运行指示灯不同时点亮。

7.如权利要求4所述的同位素电磁分离器，其特征是：所述控制系统包括张角测量仪控制系统，所述张角测量仪控制系统包括连接有第三显示控制设备的所述第三PLC模块；所述第三PLC模块能够采集、记录所述第一张角测量仪探头(110)、第二张角测量仪探头(109)的空间位置信号和所述第一张角测量仪探头(110)探测到的第四电流信号、第二张角测量仪探头(109)探测到的第五电流信号；所述第三显示控制设备用于显示所述探头运动装置的运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的信号数据，还用于输入控制所述探头运动装置的控制指令、通过所述第三PLC模块控制所述探头运动装置的运行；

通过所述第三显示控制设备输入的控制指令包括：

设置所述第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)的运动与停止，实现所述第二张角测量仪探头(109)的二维运动；

还包括：

设置所述第一张角测量仪步进电机(126)的目标位置坐标、运行速度、步数；

读取所述第一张角测量仪步进电机(126)的当前的位置坐标、运行速度；

控制所述第一张角测量仪步进电机(126)的运动与停止，实现所述第一张角测量仪探头(110)的翻转；

所述第三显示控制设备显示的所述探头运动装置的运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的信号数据包括：

所述第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)的当前的位置坐标、运行速度；

所述第二张角测量仪探头(109)探测得到的所述离子束的所述第五电流信号，所述第五电流信号包括所述离子束的电流值、电压值；

对所述电流值、电压值进行处理后形成的与所述第二张角测量仪探头(109)的所述空间位置信号一一对应的束流密度分布图像；

还包括：

所述第一张角测量仪步进电机(126)的目标位置坐标、运行速度、步数；

所述第一张角测量仪步进电机(126)的当前的位置坐标、运行速度；

所述第一张角测量仪探头(110)探测得到的所述离子束的所述第四电流信号，所述第四电流信号包括所述离子束的电流值；

还包括对所述第一张角测量仪步进电机(126)、第二张角测量仪步进电机(127)、第三张角测量仪步进电机(128)进行磁屏蔽；

所述张角测量仪还包括张角测量仪安装法兰(105)，所述张角测量仪安装法兰(105)上设有航空插头(124)，通过所述航空插头(124)实现对信号的接入和测控，所述信号包括：所述第四、第五电流信号；所述探头运动装置的所述运动和位置数据、所述第三PLC模块获得的所述信号数据、用于控制所述探头运动装置的所述控制指令。