CN106547016B - 一种离子源束流诊断用发射度仪探头 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用发射度仪探头，设置在同位素电磁分离器的离子源束流诊断用发射度仪上，同位素电磁分离器包括设置在真空环境中、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。该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，高电位极板设置在低电位极板上方；设置在低电位极板、高电位极板两端的前缝口和后缝口，前缝口靠近离子源的引出缝；还包括设置在后缝口上的法拉第筒；离子束能够从前缝口进入低电位极板、高电位极板之间经过静电偏转后，从后缝口进入法拉第筒。该探头能够测量大张角非轴对称直流束的发射度。

Description

一种离子源束流诊断用发射度仪探头

技术领域

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用发射度仪探头。

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。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中引出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。

在这一分离过程中，需要测量同位素电磁分离器中离子束的束流在位置与动量的相空间上的分布。分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。离子源是同位素电磁分离器的关键设备，束流的发射度是离子源设计的关键因素之一，对离子源像宽的影响很大，因此需要进行发射度的测量，在运行过程中，有时也需要实时测量发射度。因此，需要一种装置对发射度进行测量。离子源和离子束都处于真空环境中，对于离子束的发射度的测量也在真空环境中进行。

发明内容

发射度测量有多种方法，常用的有：缝-屏法、孔-荧光屏法、缝-丝法、电压扫描法。缝-丝法又可分为多缝单丝、单缝多丝和单缝单丝等不同形式。其中电压扫描是其中重要的一类。电压扫描有扫描时间短、探头结构简单易行的优点，更适用于低能强流离子束的发射度的测量。因此本发明采用电压扫描的方式。

为了得到同位素电磁分离器中离子束的束流的发射度，本发明采用的技术方案是一种离子源束流诊断用发射度仪探头，设置在离子源束流诊断用发射度仪上，所述离子源束流诊断用发射度仪设置在同位素电磁分离器上，所述同位素电磁分离器包括设置在真空环境中、设有引出电极的离子源，所述离子源从所述引出电极的引出缝中射出离子束，其中，所述离子源束流诊断用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缝；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。

进一步，

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。

进一步，所述扫描电压为5kV。

更进一步，所述扫描电压的扫描步长为20V。

进一步，还包括设置在所述后缝口、法拉第筒之间的抑制电极，所述抑制电极加载抑制电压用于抑制二次电子的逃逸。

更进一步，所述抑制电压为300V。

进一步，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。

进一步，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设置在所述离子源束流诊断用发射度仪探头外部的扫描电源，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，所述法拉第筒上设有信号连线，所述信号连线连接设置在所述离子源束流诊断用发射度仪探头外部的接收装置，用于向所述接收装置发送所述法拉第筒获得的电流信号。

本发明的有益效果在于：能够测量大张角非轴对称直流束的发射度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用发射度仪探头的侧视图；

图2是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用发射度仪探头的前视图；

图3是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用发射度仪探头的原理示意图；

图4是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用发射度仪探头的第一关键尺寸及数值示意图；

图5是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用发射度仪探头的第二关键尺寸及数值示意图；

图6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7是本发明具体实施方式中所述离子源束流诊断用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；

图中：1-前缝口板，2-低电位极板，3-高电位极板，4-后缝口，5-屏蔽罩，6-法拉第筒，7-前缝口，8-离子束，9-抑制电极。

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。

本发明中的一种离子源束流诊断用发射度仪探头(简称探头)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。

本发明提供的一种离子源束流诊断用发射度仪探头，设置在离子源束流诊断用发射度仪上，离子源束流诊断用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。

如图1、图2所示，本发明提供的离子源束流诊断用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2、高电位极板3，高电位极板3设置在低电位极板2上方；设置在低电位极板2、高电位极板3两端的前缝口7和后缝口4，前缝口7靠近离子源的引出缝；还包括设置在后缝口4上的法拉第筒6；离子束8能够从前缝口7进入低电位极板2、高电位极板3之间经过静电偏转后，从后缝口4进入法拉第筒6。

本发明提供的一种离子源束流诊断用发射度仪探头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6所示。

发射度的原理主要表现在本发明所提供的离子源束流诊断用发射度仪探头上，即扫描电压值与θ的对应关系。探头由上下平行的低电位极板2和高电位极板3、前缝口7、后缝口4、抑制电极9、法拉第筒6等组成(见图1、图3)。如图3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7、后缝口4，被法拉第筒6接收。法拉第筒6的接收电流表征入射角为θ的离子数量。低电位极板2、高电位极板3之间的间距为D，低电位极板2、高电位极板3长度为L，低电位极板2、高电位极板3上加载的扫描电压用V表示。

根据通过前缝口7、后缝口4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6所示(图6中，Im为探头测量电流信号)。

探头中还包括设置在后缝口4、法拉第筒6之间的抑制电极9(见图3)，抑制电极9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。

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。在探头的设计中，关键的尺寸有：

低电位极板2、高电位极板3之间的间距D；

低电位极板2、高电位极板3长度L；

前缝口7、后缝口4的缝口宽度d；

低电位极板2、高电位极板3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7、后缝口4的离子不能打到低电位极板2、高电位极板3上，如图4所示。根据离子轨迹，有如下关系：

(E是低电位极板2、高电位极板3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_asin²(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5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

即本发明所提供的探头中：

低电位极板2、高电位极板3长度为200mm；

低电位极板2、高电位极板3之间的间距为30mm；

前缝口7、后缝口4宽度为0.5mm。

低电位极板2、高电位极板3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-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。即本发明所提供的探头的扫描电压为5kV。

对于扫描电压，扫描步长是比较关键的参数。步长越小，从公式(4)可知，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(12)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，即本发明所提供的探头的扫描电压的扫描步长为20V。

本发明所提供的探头中，低电位极板2、高电位极板3上设有偏压电源线(附图中未标出)，偏压电源线连接设置在离子源束流诊断用发射度仪探头外部的扫描电源(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2、高电位极板3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7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.

本发明所提供的离子源束流诊断用发射度仪探头的法拉第筒6采用不锈钢材料制作，前缝口7设置在前缝口板1上(见图2)，前缝口板1采用石墨材料制作。

法拉第筒6上设有信号连线(附图中未标出)，信号连线连接设置在离子源束流诊断用发射度仪探头外部的接收装置(接收装置位于离子源和离子束所处的真空环境之外)，用于向接收装置发送法拉第筒6获得的电流信号。

此外，还包括设置在法拉第筒6外围的屏蔽罩5(见图1)。

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 (9)

1.一种离子源束流诊断用发射度仪探头，设置在离子源束流诊断用发射度仪上，所述离子源束流诊断用发射度仪设置在同位素电磁分离器上，所述同位素电磁分离器包括设置在真空环境中、设有引出电极的离子源，所述离子源从所述引出电极的引出缝中射出离子束，其特征是：所述同位素电磁分离器用于对铷元素Rb进行电磁分离，得到⁸⁵Rb、⁸⁷Rb两种同位素，所述离子束的束流能量为30keV，最大张角达到±14.5度，流强≤100mA；所述离子源束流诊断用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(2)、高电位极板(3)，所述高电位极板(3)设置在所述低电位极板(2)上方；设置在所述低电位极板(2)、高电位极板(3)两端的前缝口(7)和后缝口(4)，所述前缝口(7)靠近所述离子源的所述引出缝；还包括设置在所述后缝口(4)上的法拉第筒(6)；所述离子束能够从所述前缝口(7)进入所述低电位极板(2)、高电位极板(3)之间经过静电偏转后，从所述后缝口(4)进入所述法拉第筒(6)。

2.如权利要求1所述的探头，其特征是：

所述低电位极板(2)、高电位极板(3)长度为200mm；

所述低电位极板(2)、高电位极板(3)之间的间距为30mm；

所述前缝口(7)、后缝口(4)宽度为0.5mm；

所述低电位极板(2)、高电位极板(3)上加载扫描电压。

3.如权利要求2所述的探头，其特征是：所述扫描电压为5kV。

4.如权利要求3所述的探头，其特征是：所述扫描电压的扫描步长为20V。

5.如权利要求1所述的探头，其特征是：还包括设置在所述后缝口(4)、法拉第筒(6)之间的抑制电极(9)，所述抑制电极(9)加载抑制电压用于抑制二次电子的逃逸。

6.如权利要求5所述的探头，其特征是：所述抑制电压为300V。

7.如权利要求1所述的探头，其特征是：所述法拉第筒(6)采用不锈钢材料制作,所述前缝口(7)设置在前缝口板(1)上，所述前缝口板(1)采用高纯石墨制作。

8.如权利要求2所述的探头，其特征是：所述低电位极板(2)、高电位极板(3)上设有偏压电源线，所述偏压电源线连接设置在所述离子源束流诊断用发射度仪探头外部的扫描电源，用于所述扫描电源向所述低电位极板(2)、高电位极板(3)加载所述扫描电压。

9.如权利要求1所述的探头，其特征是：所述法拉第筒(6)上设有信号连线，所述信号连线连接设置在所述离子源束流诊断用发射度仪探头外部的接收装置，用于向所述接收装置发送所述法拉第筒(6)获得的电流信号。