CN106547012B - 一种同位素谱线扫描装置及方法 - 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谱线扫描装置及方法。其中扫描装置设置在同位素电磁分离器的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头，探头能够探测同位素电磁分离器分离后离子束的电流信号，探头设置在探头板上，探头板设置在同位素电磁分离器中的接收器上，还包括设置在接收器上的能够使探头板做三维移动的机械传动机构，还包括与探头相连的电子线路，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、记录探头的空间位置信号和离子束的电流信号。采用本发明提供的同位素谱线扫描装置及方法，能够对离子束的聚焦平面上的束流密度的横向分布进行准确的测量，为接收器上的就接收口袋提供准确的接受位置信息。

Description

一种同位素谱线扫描装置及方法

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谱线扫描装置及方法。

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，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。

在同位素电磁分离器中，离子源通过三电极引出系统引出离子束后，经过磁场偏转，离子束中不同质量的同位素会汇聚在聚焦面的不同空间位置而实现分离，该现象称为色散。色散距离越大，越有利于同位素的分离。谱线扫描仪用于测量离子束在经过分离磁铁后的分离与聚焦状况，并用于寻找最佳的聚焦面，以便同位素电磁分离器中的接收器上的接收口袋能够对准最佳的聚焦面，从而更好的收集分离后的同位素。

谱线的测量是关于聚焦平面上离子束内束流密度的横向分布。目前，对于强流离子束束流的测量手段有束流变压器(BCT)、直流流强变压器(DCCT)、壁电流探头(WCM)、法拉第筒等方法。除了法拉第筒以外，其他的测量方法是通过束流产生的磁通量来获得束流的大小，可以避免探头与束流的直接接触，在加速器领域都有较多的应用。然而，谱线扫描仪需要测量束流密度的空间分布，在这些探测装置中，只有法拉第筒能够扫描束流获得束流密度的分布。

法拉第筒一般是用金属做成杯状或同轴喇叭状，把束流全部阻挡，利用电流表可测到直流束流强度或脉冲束流的平均值。为了降低轫致辐射对测量结果的影响，一般选择原子序数较低的材料如铝、铜等。另外为了减小二次电子对信号的污染，常常加负高压来防止二次电子的逃逸。不过，在电磁分离器中，由于存在强磁场，二次电子往往被束缚住，不需要加负高压。

发明内容

同位素电磁分离器分离后的同位素的离子束要全部收集起来，就需要对离子束的聚焦平面上的束流密度的横向分布进行测量，以便接收器(接收分离后的同位素的离子束的装置)能够对准最佳的聚焦面。本发明的目的就是提供一种采用法拉第筒测量直流束的束流密度分布的谱线扫描装置，能够测量的束流空间达240mm×240mm×240mm。从而实现接收器在进行接收之前，离子束的位置与接收器上相应的接收口袋位置对准，保证同位素丰度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头，所述探头能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，其中所述探头设置在探头板上，所述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探头板做三维移动的机械传动机构，还包括与所述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、记录所述探头的空间位置信号和所述离子束的电流信号。

进一步，所述探头不止一个，直线分布在所述探头板上，间距20mm，所述电子线路与所述探头一一对应。

进一步，所述探头所采用的所述法拉第筒的直径为1mm。

进一步，所述机械传动机构能够提供所述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。

进一步，所述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。

进一步，所述机械传动机构包括能够带动所述框架及所述探头板前后运动的滑动轴，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。

进一步，所述传动轴沿所述滑动轴的轴向贯穿所述滑动轴。

更进一步，所述滑动轴、传动轴通过O型橡胶圈来实现动态密封。

为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述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，在所述离子束附近选择一个初始位置点A，A点坐标为(X_A，Y_A)；

步骤(S2)，使所述探头沿与X轴成43°角的直线移动到点B，B点坐标为(X_B，Y_B)，通过并扫描所述离子束，并同步输出所述探头的空间位置信号和所述离子束的电流信号；

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)，所述数据处理系统根据所述空间位置信号和所述离子束的电流信号获得所述离子束的空间分布图像，取峰高的1/2处为所述离子束的宽度b，b最小处所对应的空间位置就是所述离子束的聚焦处。

本发明的有益效果在于：

1.探头所采用的法拉第筒直径为1mm，提高了测量的准确性。

2.设置多个探头，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。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述同位素谱线扫描装置在接收器上的安装示意图；

图3是本发明具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的剖视图；

图4是本发明具体实施方式中所述探头板的前视图；

图5是本发明具体实施方式中所述探头板的侧视图；

图6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7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；

图中：1-扫描探头驱动步进电机，2-皮带轮传动结构，3-探头扫描运动丝杠，4-滑动轴，5-前后运动驱动步进电机，6-前后运动驱动丝杠，7-连接法兰，8-框架，9-传动杆，10-探头板，11-探头，12-固定螺钉，13-真空室壁，14-传动轴。

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。

本发明提供的同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内(如图1所示，同位素谱线扫描装置通过连接法兰7设置在同位素电磁分离器上，真空室壁13之内的框架8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探头11，探头11能够探测离子束的电流信号，探头11设置在探头板10上，探头板10设置在同位素电磁分离器中的接收器上(如图2、图4、图5所示，探头板10通过固定螺钉12设置在接收器头部的框架8上)。还包括与探头11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、记录探头11的空间位置信号和探头11探测到的离子束的电流信号。

在本发明中，探头11所采用的法拉第筒的直径为1mm。如图4、图5所示，探头11不止一个(在本实施例中为7个)，直线分布在探头板10上，探头之间的间距为20mm，电子线路与探头11一一对应。

本发明所提供的同位素谱线扫描装置还包括设置在接收器上的能够使探头板10做三维移动的机械传动机构，机械传动机构能够提供探头板10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1所示，机械传动机构包括能够带动框架8及探头板10前后运动的滑动轴4，相互连接的前后运动驱动步进电机5和前后运动驱动丝杠6，前后运动驱动步进电机5和前后运动驱动丝杠6用于控制滑动轴4的前后运动；

还包括互相连接的皮带轮传动结构2和探头扫描运动丝杠3；

还包括通过传动轴14与皮带轮传动结构2相连的扫描探头驱动步进电机1，扫描探头驱动步进电机1用于驱动探头扫描运动丝杠3使得探头板10能够在框架8上做与X轴成43°角的直线移动。

其中，传动轴14设置在滑动轴4的内部，沿滑动轴4的轴向贯穿滑动轴4。探头板10能够沿与X轴成43°角的直线移动。滑动轴8、传动轴14通过O型橡胶圈来实现动态密封。

根据本发明所提供的同位素谱线扫描装置，本发明还公开了一种用于以上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，使探头11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，并同步输出探头11的空间位置信号和离子束的电流信号；(探头11设置在探头板10上，探头11的运动实际是依靠探头板10的运动来实现的，即探头板10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，数据处理系统根据探头的空间位置信号和收集到的离子束的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。

最后举例说明本发明所提供的同位素谱线扫描装置及方法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6所示，P为测量的探头，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)，并随时输出探头的空间位置信号，在移动过程中探头依次扫过⁸⁵Rb，⁸⁷Rb离子束，并有电的信号输出(电流信号示意见图7所示)。探头的空间位置信号与接收的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6，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。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头(11)，所述探头(11)能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，其特征是：所述探头(11)设置在探头板(10)上，所述探头板(10)设置在所述同位素电磁分离器中的接收器的框架(8)上，还包括设置在所述接收器上的能够使所述探头板(10)做三维移动的机械传动机构，还包括与所述探头(11)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、记录所述探头(11)的空间位置信号和所述离子束的电流信号；

所述机械传动机构能够提供所述探头板(10)的三维移动空间的范围为240mm×240mm×240mm，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴。

2.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头(11)不止一个，直线分布在所述探头板(10)上，间距20mm，所述电子线路与所述探头(11)一一对应。

3.如权利要求2所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头(11)所采用的所述法拉第筒的直径为1mm。

4.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头板(10)能够在所述框架(8)上做与所述X轴成43°角的直线移动。

5.如权利要求4所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：

所述机械传动机构包括能够带动所述框架(8)及所述探头板(10)前后运动的滑动轴(4)，相互连接的前后运动驱动步进电机(5)和前后运动驱动丝杠(6)，所述前后运动驱动步进电机(5)和前后运动驱动丝杠(6)用于控制所述滑动轴(4)的前后运动；

还包括互相连接的皮带轮传动结构(2)和探头扫描运动丝杠(3)；

还包括通过传动轴(14)与所述皮带轮传动结构(2)相连的扫描探头驱动步进电机(1)，所述扫描探头驱动步进电机(1)用于驱动探头扫描运动丝杠(3)使所述探头板(10)能够在所述框架(8)上做与所述X轴成43°角的直线移动。

6.如权利要求5所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述传动轴(14)沿所述滑动轴(4)的轴向贯穿所述滑动轴(4)。

7.如权利要求6所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述滑动轴(4)、传动轴(14)通过O型橡胶圈来实现动态密封。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述装置的同位素谱线扫描方法，包括如下步骤：

步骤(S1)，选取一个Z＝0的平面，在所述离子束附近选择一个初始位置点A，A点坐标为(X_A，Y_A)；

步骤(S2)，使所述探头(11)沿与X轴成43°角的直线移动到点B，B点坐标为(X_B，Y_B)，通过并扫描所述离子束，并同步输出所述探头(11)的空间位置信号和所述离子束的电流信号；

步骤(S3)，调整始位置点为A₁至A_n，A₁点坐标为(X_A，Y_A1)，A_n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)，所述数据处理系统根据所述空间位置信号和所述离子束的电流信号获得所述离子束的空间分布图像，取峰高的1/2处为所述离子束的宽度b，b最小处所对应的空间位置就是所述离子束的聚焦处。