CN111293031B - 一种多质荷比离子束质谱分析装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明及一种多质荷比离子束质谱分析装置和方法，包括：离子源、聚焦模块、磁分离模块、采集模块和数据处理模块；离子源，用于发射包含多种质荷比的离子的离子束；聚焦模块，用于对离子束进行聚焦；磁分离模块，用于将经过聚焦的离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；采集模块，设置在磁分离模块的离子束成像端，用于接收各曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；数据处理模块，与采集模块连接，用于对采集模块产生的电信号，并根据曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。该装置解决现有技术中装置分辨时间长，样品组分占比分辨能力不足导致的适用范围窄的问题。

Description

一种多质荷比离子束质谱分析装置和方法

技术领域

本发明是关于一种多质荷比离子束质谱分析装置和方法，属于加速器技术领域。

背景技术

加速器质谱分析(accelerator-based mass spectroscopic analysis)是指加速器与质谱分析相结合的一种核分析方法，其具体过程为：将待测样品在加速器的离子源中电离为等离子态后引出，再利用离子束的质荷比特性加以分离，鉴别样品的离子种类及占比。

加速器质谱分析技术产生于上世纪七十年代，其发展之初主要用于地球科学和考古的放射性同位素的快速精确的测量。经过半个多世纪的发展，加速器质谱技术的已深入应用于诸如考古学、生物医学、地学、水文学、宇宙学、原子核物理学等诸多现代科学技术领域，广泛涉及科学研究、农工业应用、医疗应用、核能开发等各行各业。

目前，现有的加速器质谱分析装置主要分为两类，即低能加速器谱仪，其单核能为KeV量级，以及高能加速器谱仪，其单核能为MeV量级。二者中低能加速器质谱分析装置使用范围更加广泛。

低能加速器质谱分析装置的主要功能为分离离子束，并鉴别离子种类及占比。目前，现有技术中主要通过电流扫描定点成像和飞行时间等方法实现上述功能。其中，电流扫描定点成像将离子源引出的多电荷态离子束，通过预聚焦后进入分析磁铁，所有不同质荷比的离子束随着分析磁铁电流变化按时间顺序依次成像于其后探测器的同一位置。该方法测量时间长，很难精确测定样品的各成分占比。而飞行时间方法将离子源引出的离子束经预聚焦后，通过一定时间真空漂移后，不同质荷比的离子束在纵向形成具有一定占空比的离子束团，探测器根据不同离子束团的到达时间来识别离子成分及占比。该方法对离子束的动量分散有严格的要求，若不满足要求则无法识别离子不同成分的占比，而且该方法要求有充足的真空漂移长度使不同质荷比的离子束能够完全分离，因此整个装置占地空间大，场地浪费较为严重。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种多质荷比离子束质谱分析装置和方法，以解决目前低能加速器质谱分析装置分辨时间过长，样品组分占比分辨能力不足等因素导致的适用范围窄的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多质荷比离子束质谱分析装置，包括：离子源、聚焦模块、磁分离模块、采集模块和数据处理模块；离子源，用于发射包含多种质荷比的离子的离子束；聚焦模块，用于对离子束进行聚焦；磁分离模块，用于将经过聚焦的离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；采集模块，设置在磁分离模块的离子束成像端，用于接收各曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；数据处理模块，与采集模块连接，用于对采集模块产生的电信号，并根据曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。

进一步，聚焦模块为高压静电聚焦透镜。

进一步，高压静电聚焦透镜为圆筒形或碟形。

进一步，磁分离模块由非规则型分析磁铁，非规则型分析磁铁为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状中空磁铁，即中空磁铁存在一定的曲率，且其内圈的入口到出口的距离小于外圈的入口到出口的距离。

进一步，采集模块设置于磁分离模块内的离子束成像端，或采集模块设置于磁分离模块外的离子束成像端。

进一步，当采集模块设置于磁分离模块内的离子束成像端时，中空磁铁的中空腔体为真空腔，真空腔的形状为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状。

进一步，采集模块为法拉第筒阵列，法拉第筒阵列覆盖磁分离模块的离子束成像端，以采集不同曲率半径的离子。

进一步，每个法拉第筒均与数据处理模块电连接，同时采集所有法拉第筒产生的电信号。

进一步，数据处理模块包括相互连接的积分电路和扇出电路，积分电路负责获取并处理电信号，扇出电路负责量程的切换及分发来自积分电路的信号。

基于相同的发明构思，本发明还公开了一种多质荷比离子束质谱分析方法，采用如上述任一种装置，包括以下步骤：S1.发射包含多种质荷比离子的离子束，并对离子束进行聚焦；S2.将离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；S3.接收各曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；S4.通过数据处理模块处理电信号，并根据曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：与传统的电流扫描定点成像和飞行时间质谱系统相比，该装置有效解决了现有技术中低能加速器质谱分析装置分析时间过长、占地面积大、样品成分占比精准测量难度大等问题，极大地提高样品辨识效率，更进一步提高了样品成分占比测量的有效性和精准性，同时节约了大量的束流时间、能源损耗以及人力物力。

附图说明

图1是本发明一实施例中多质荷比离子束质谱分析装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例中多质荷比离子束质谱分析装置的结构示意图。

1-离子源，2-聚焦模块，3-磁分离模块，31-真空腔，4-采集模块，41-法拉第筒阵列，5-数据处理模块。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本实施例公开了一种多质荷比离子束质谱分析装置，多质荷比离子束定义为包含多种质荷比的离子的离子束。如图1、2所示，该质谱分析装置包括：离子源1、聚焦模块2、磁分离模块3、采集模块4和数据处理模块5；离子源1，用于发射包含多种质荷比离子的离子束；聚焦模块2，用于对离子束进行聚焦；磁分离模块3，用于将经过聚焦的离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；采集模块4，设置在磁分离模块3的离子束成像端，用于接收各曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；数据处理模块5，与采集模块4连接，用于对采集模块4产生的电信号，并根据曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。该装置解决了目前低能加速器质谱分析装置分辨时间过长，样品组分占比分辨能力不足等因素导致的适用范围窄的问题，测试时间短，离子种类和占比测试准确。

该质谱分析装置工作时，离子源1产生并引出的低能多电荷态离子束，经过聚焦模块2及磁分离模块3后，离子束中不同质荷比的离子根据磁刚度高低沿不同曲率半径分离并依次在采集模块4上成像，采集模块4接收不同质荷比的离子后，产生电信号由数据处理模块5进行集中分析处理。由于不同质荷比的离子具有不同的磁刚度，当磁场强度相同时，磁刚度与离子的曲率半径成正比，故磁刚度大的离子曲率半径也大。曲率半径较大的离子倾向于飞向磁分离模块3的外圈，而曲率半径小的离子倾向于飞向磁分离模块3的内圈，由于内圈的距离比外圈的距离短，故磁刚度越小的离子越先到达采集模块4，从而实现了不同质荷比的离子的分离。

其中，本实施例中的离子源1可以是所有类型的多电荷态离子源1，优选为高压类离子源或微波类离子源。该离子源1能够提供单粒子核能在KeV量级的低能离子束，其中，此处的单粒子可以为化学周期表中从质量最轻的质子至质量最重的铀所在范围内的所有单粒子。

本实施例中的聚焦模块2为高压静电聚焦透镜，高压静电聚焦透镜优选为圆筒形或碟形。该圆筒形高压静电聚焦透镜包括三个电极，边电极长1.0cm-10.0cm，中间电极长1.5cm-20.0cm,三电极内半径为1.0cm-10.0cm,电极厚度为0.5-2.0cm,电极间隙为0.5-3.0cm，加载最高间隙电压为300kV。碟形高压静电聚焦透镜也包括三个电极，电极厚为0.2cm-1.0cm，电极内半径为1.0-10.0cm,电极环带为2.0-20.0cm,电极间隙为0.5-3.0cm，加载最高间隙电压为300kV。需要说明的上述三个电极的尺寸和电压值只是本实施例中的优选方案，并不是说电极的尺寸和电压只能取上述值。

本实施例中的磁分离模块3由非规则型分析磁铁，非规则型分析磁铁为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状中空磁铁，即该中空磁铁存在一定的曲率，且内圈的入口到出口的距离小于外圈的入口到出口的距离。在分析磁铁离子束入口端的横切面的好场区范围仅为1.0cm-10.0cm宽，在离子束成像端的横截面的好场区范围，基于电荷态分布，在入口端好场区范围的基础上进行了大范围拓展。在一些情况下，离子束成像端的好场区范围可以扩展至1.0m以上。应当说明的是，此处的中空磁铁不能狭义的理解为四氧化三铁，而应当理解为所有具有铁磁性或亚铁磁性的材料或任何可以产生磁场，并适用于本装置的组件。

本实施例中的采集模块4可以设置于磁分离模块3和真空腔31内的离子束成像端，此时，中空磁铁的中空腔体为真空腔31，真空腔31的形状也为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状，如图1所示；或采集模块4设置于真空腔31内，磁分离模块3以外，此时，真空腔31与中空磁铁的中空腔体只有部分重合，该真空腔31延伸至该中空磁铁之外，并覆盖了设置在中空磁铁之外的采集模块4，如图2所示。采集模块4为法拉第筒阵列41，法拉第筒阵列41覆盖磁分离模块3的离子束成像端，以采集不同曲率半径的离子。每个法拉第筒均与数据处理模块5电连接，同时采集所有法拉第筒产生的电信号，并根据曲率半径、分析磁场、电信号和离子源1引出电压等物理参数分析判断离子类型及每个离子类型的占比。其中，优选法拉第筒是纵向阵列，即法拉第筒条。根据从小半径到大半径的离子束物理分辨要求的变化，每个法拉第筒条宽可以是固定尺寸的法拉第筒，也可以从经济角度考虑，依据分辨率要求从宽到窄设置法拉第筒的尺寸。整个法拉第筒阵列41的测量范围比离子束成像范围略大，比如离子束成像范围为1.0m，则法拉第筒阵列41的测量范围为1.2m左右。

其中，数据处理模块5包括相互连接积分电路和扇出电路，积分电路负责获取并处理电信号，扇出电路负责量程的切换及分发来自积分电路的信号。

需要说明的是，本实施例中质谱分析装置还包括常规的束流诊断室，用于检测离子源1中发射的离子束是否正常，是否符合要求，以及与真空腔31配合使用的真空装置，如真空泵、真空管等，还包括电源、数据线等常规设备，此处不再赘述。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例还公开了一种多质荷比离子束质谱分析方法，采用如上述任一种装置，包括以下步骤：

S1.发射包含多种质荷比的离子的离子束，并对离子束进行聚焦；

S2.将离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；

S3.接收各曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；

S4.通过数据处理模块5处理电信号，并根据曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。

上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，包括：离子源、聚焦模块、磁分离模块、采集模块和数据处理模块；

所述离子源，用于发射包含多种质荷比的离子的离子束；

所述聚焦模块，用于对所述离子束进行聚焦；

所述磁分离模块，用于将经过聚焦的所述离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；

所述采集模块，设置在所述磁分离模块的离子束成像端，用于接收各所述曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；

所述数据处理模块，与所述采集模块连接，用于对采集模块产生的电信号，并根据所述曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比，

所述磁分离模块由非规则型分析磁铁，所述非规则型分析磁铁为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状中空磁铁，所述中空磁铁存在曲率，且其内圈的入口到出口的距离小于外圈的入口到出口的距离；

所述采集模块为法拉第筒阵列，所述法拉第筒阵列覆盖所述磁分离模块的离子束成像端，以采集不同曲率半径的离子。

2.如权利要求1所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，所述聚焦模块为高压静电聚焦透镜。

3.如权利要求2所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，所述高压静电聚焦透镜为圆筒形或碟形。

4.如权利要求1所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，所述采集模块设置于所述磁分离模块内的离子束成像端，或所述采集模块设置于所述磁分离模块外的离子束成像端。

5.如权利要求4所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，当所述采集模块设置于所述磁分离模块内的离子束成像端时，所述中空磁铁的中空腔体为真空腔，所述真空腔的形状为离子束入口端小，离子束成像端大的螺状。

6.如权利要求5所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，每个所述法拉第筒均与所述数据处理模块电连接，同时采集所有所述法拉第筒产生的电信号。

7.如权利要求6所述的多质荷比离子束质谱分析装置，其特征在于，所述数据处理模块包括相互连接的积分电路和扇出电路，所述积分电路负责获取并处理所述电信号，所述扇出电路负责量程的切换及分发来自积分电路的信号。

8.一种多质荷比离子束质谱分析方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述装置，包括以下步骤：

S1.发射包含多种质荷比的离子的离子束，并对所述离子束进行聚焦；

S2.将所述离子束中不同质荷比的离子按磁刚度高低沿不同曲率半径分离；

S3.接收各所述曲率半径对应的不同质荷比的离子，并产生相应的电信号；

S4.通过数据处理模块处理所述电信号，并根据所述曲率半径和电信号确定不同质荷比的离子的种类和占比。

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