CN112383999A - 螺旋共振亚稳态束流产生装置和原子阱痕量分析试验设备 - Google Patents

螺旋共振亚稳态束流产生装置和原子阱痕量分析试验设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，包括外壳、放电管和永磁体；外壳底端开口、顶端设有带开孔的顶板；放电管插装在外壳内，放电管外套装有螺旋线圈；放电管的顶端插入上述开孔中；永磁体圈在外壳的外周，用于在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场。该螺旋共振亚稳态束流产生装置设置了永磁体，能在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场，利用该磁场对等离子体提供径向的约束，让亚稳态原子的产生效率在原来的基础上增加数倍。本发明还提供一种原子阱痕量分析试验设备。

Description

螺旋共振亚稳态束流产生装置和原子阱痕量分析试验设备
技术领域
本发明涉及惰性气体亚稳态原子产生装置技术领域，更具体地说，涉及一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，还涉及一种原子阱痕量分析试验设备。
背景技术
惰性气体放射性同位素85Kr，81Kr，39Ar是基于原子冷却的同位素痕量分析技术中的定年同位素。实际样品分析时，需要将基态的中性原子激发到所需要的亚稳态上，而激发的效率越高样品的测量结果就越精确并且还可以减少测量样品的时间。
螺旋共振腔是通过电感耦合放电产生等离子体的装置，螺旋共振腔在射频驱动下产生等离子体，以电子碰撞基态原子的方式产生亚稳态原子源。
但是，现有螺旋共振腔产生亚稳态原子源的效率低，影响样品的测量结果精度。
因此，如何提供一种产生亚稳态原子源效率高的螺旋共振装置，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，其设置了永磁体，能在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场，利用该磁场对等离子体提供径向的约束，让亚稳态原子的产生效率在原来的基础上增加数倍。本发明还提供一种原子阱痕量分析试验设备，其应用上述螺旋共振亚稳态束流产生装置，试验结果准确性高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，包括：
外壳，所述外壳的底端开口、顶端设有带开孔的顶板；
放电管，所述放电管插装在所述外壳内，并且所述放电管外套装有螺旋线圈；所述放电管的顶端插入所述开孔中；
永磁体，所述永磁体圈在所述外壳外周，用于在所述放电管处产生与所述放电管的延伸方向平行的磁场。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，还包括磁屏蔽件，所述磁屏蔽件形成一端开口的容置腔，所述外壳的顶端插装并固定在所述容置腔内，所述磁屏蔽件上与所述开孔对应的位置处设有与所述开孔连通的透孔；所述放电管的顶端插入所述开孔和所述透孔中；所述永磁体安装在所述容置腔内。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述外壳的顶板贴近所述容置腔的内壁。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述开孔的内径大于所述放电管的外径，所述透孔的内径大于所述放电管的外径。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述磁屏蔽件包括：
磁屏蔽前端板，所述磁屏蔽前端板贴近所述外壳的顶板，并且所述透孔设置在所述磁屏蔽前端板上；
磁屏蔽侧板，所述磁屏蔽侧板为环形，并圈在所述外壳的外周；所述磁屏蔽侧板一端固定于所述磁屏蔽前端板；所述永磁体位于所述磁屏蔽前端板和磁屏蔽侧板围成的容置腔内。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述磁屏蔽前端板上设有沉孔，所述顶板位于所述沉孔内。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述外壳为铜外壳，用于屏蔽所述螺旋线圈发出的电磁波。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述外壳上设有射频功率输入端，所述射频功率输入端与所述螺旋线圈相连。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中，所述放电管为石英管或者氮化铝管。
一种原子阱痕量分析试验设备，包括真空腔和设置在所述真空腔内的螺旋共振亚稳态束流产生装置，所述螺旋共振亚稳态束流产生装置为上述技术方案中任意一项所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置。
优选的，上述原子阱痕量分析试验设备中，所述螺旋共振亚稳态束流产生装置的放电管由气路组件提供放电气体；所述螺旋共振亚稳态束流产生装置的螺旋线圈通过所述射频功率输入端与射频信号源装置相连。
本发明提供一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，包括外壳、放电管和永磁体；外壳的底端开口、顶端设有带开孔的顶板；放电管插装在外壳内，并且放电管外套装有螺旋线圈；放电管的顶端插入上述开孔中；永磁体圈在外壳的外周，用于在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场。
本发明提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置设置了永磁体，能在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场，利用该磁场对等离子体提供径向的约束，让亚稳态原子的产生效率在原来的基础上增加数倍。
本发明还提供一种原子阱痕量分析试验设备，其应用上述螺旋共振亚稳态束流产生装置，试验结果准确性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的原子阱痕量分析试验设备的结构示意图；
其中，图1-图2中：
磁屏蔽前端板1；磁屏蔽侧板2；永磁体3、4；外壳5；螺旋线圈6；放电管7；射频功率输入端8；信号发生器9；功率放大器10；气路组件11；螺旋共振亚稳态束流产生装置12；真空腔13；真空泵组14。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，其设置了永磁体，能在放电管处产生与放电管的延伸方向平行的磁场，利用该磁场对等离子体提供径向的约束，让亚稳态原子的产生效率在原来的基础上增加数倍。本发明实施例还公开一种原子阱痕量分析试验设备，其应用上述螺旋共振亚稳态束流产生装置，试验结果准确性高。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，本发明实施例提供一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，包括外壳5、放电管7和永磁体；外壳5的底端开口、顶端设有带开孔的顶板；放电管7插装在外壳5内，并且放电管7外套装有螺旋线圈6；放电管7的顶端插入上述开孔中；永磁体圈在外壳5外周，且永磁体用于在放电管7处产生与放电管7的延伸方向平行的磁场。
本发明实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置设置了永磁体，能在放电管7处产生与放电管7的延伸方向平行的磁场，利用该磁场对等离子体提供径向上的约束，让亚稳态原子的产生效率在原来的基础上增加数倍。
同时，该螺旋共振亚稳态束流产生装置可以降低工作气压和需要的射频功率，达到提高对亚稳态原子的测量精度和减少实验所需样品的目的。再者，本实施例中设计了磁屏蔽件，能满足原子阱痕量分析等类似装置中的弱磁场环境的要求。
优选的，上述螺旋共振亚稳态束流产生装置中还包括磁屏蔽件，磁屏蔽件形成一端开口的容置腔，外壳5的顶端插装并固定在容置腔内，磁屏蔽件上与顶板的开孔对应的位置处设有与开孔连通的透孔；放电管7的顶端插入开孔和透孔中；永磁体安装在容置腔内。
上述螺旋共振亚稳态束流产生装置，外壳5的顶板贴近容置腔的内壁。上述开孔的内径大于放电管7的外径，上述透孔的内径大于放电管7的外径。
进一步的，上述实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置中，磁屏蔽件包括：
磁屏蔽前端板1，磁屏蔽前端板1贴近外壳5的顶板，并且透孔设置在磁屏蔽前端板1上；
磁屏蔽侧板2，磁屏蔽侧板2为环形，并圈在外壳5的外周；磁屏蔽侧板2一端固定于磁屏蔽前端板1；永磁体位于磁屏蔽前端板1和磁屏蔽侧板2围成的容置腔内。永磁体为环形，圈在放电管7外周，并且永磁体可设置为1个，还设置为2个(如图所示包括永磁体3和永磁体4)、3个等，本实施例不做限定。
具体的，磁屏蔽前端板1上设有沉孔，顶板位于该沉孔内，并且磁屏蔽前端板1上的透孔与该沉孔连通。
上述实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置中，外壳5为铜外壳，具体为无氧铜外壳或黄铜外壳，外壳5用于屏蔽螺旋线圈6产生的电磁波，也是空间上的电势边界条件；螺旋线圈6将射频信号转化为电磁波，通过波与等离子体的作用将实现射频功率与等离子体的耦合，实际应用中可以适当调节线圈数目达到微调共振频率的目的；螺旋线圈6可设置为由铜制成；外壳5上设有射频功率输入端8，射频功率输入端8与螺旋线圈6相连，即射频功率输入端8为射频信号的馈入端口。
上述放电管7为石英管或者氮化铝管。放电管7主要用来容纳气体，将放电区域局限在放电管7内，并且也有对原子束流的准直作用。根据具体情况可以选用不同的材料，几何尺寸(如长度，内径)也可根据具体需求来调节。
环形的永磁体3、4固定在外壳5上，避免占用前端的空间，具体位置可根据需求和实际情况在小范围内调节(外壳轴线方向1cm-2cm)。永磁体为钕铁硼永磁体。
同时，本实施例中磁屏蔽件将磁感线局限在磁屏蔽件内，让磁屏蔽件外的磁场强度变的较小(<20Gs，轴线方向10cm外)，可以根据具体实验条件选择加或不加磁屏蔽层。磁屏蔽前端板1的材料可以为软铁或坡莫合金，可以契合在外壳5上，磁屏蔽前端板1的中心位置处开有略大于放电管7外径的通孔，可屏蔽永磁体产生的磁场；磁屏蔽侧板2的材料为坡莫合金，呈圆环状且中心可容纳永磁体3、4，磁屏蔽侧板2可固定在外壳5和/或磁屏蔽前端板1上，用于屏蔽永磁体3、4侧面的磁场。图1中箭头所指的方向为气体进入放电管7的方向。
本发明实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置具有如下优点：
1.低功率维持放电
在外加磁场的情况下，螺旋共振亚稳态束流产生装置的产生放电的功率变化不大，但是它维持放电的功率相对于无磁场情况下变得很低。这可以降低对射频功率放大器10的性能要求，同时减少离子溅射和离子注入。
2.提高亚稳态惰性气体原子的产生效率
在相同的工作气压下(气体源处压强0.33Pa～0.67Pa)，有外加磁场的螺旋共振腔的亚稳态原子产生效率比现有技术可实现至少两倍的提升。
本发明实施例还提供一种原子阱痕量分析试验设备，包括真空腔13和设置在真空腔13内的螺旋共振亚稳态束流产生装置12，螺旋共振亚稳态束流产生装置12为上述实施例提供的螺旋共振亚稳态束流产生装置12。
上述原子阱痕量分析试验设备中，螺旋共振亚稳态束流产生装置12的放电管7由气路组件11提供放电气体；螺旋共振亚稳态束流产生装置12的螺旋线圈6通过射频功率输入端8与射频信号源装置相连。
具体的，真空箱13在真空泵组14的作用下产生所需要的真空环境；射频信号源装置产生特定频率和功率的射频信号，包括信号发生器9和功率放大器10，信号发生器产生特定频率的射频信号，功率放大器10可以将信号发生器9产生的射频信号放大到指定的功率，最后将产生的信号馈入到螺旋共振亚稳态束流产生装置12中。气路组件11不仅可以将放电气体通入到放电管中，还可以根据需求在一定范围内调节气压大小。
本实施例提供的原子阱痕量分析试验设备应用上述实施例螺旋共振亚稳态束流产生装置，试验结果准确性高。当然，本实施例提供的原子阱痕量分析试验设备还具有上述实施例提供的有关螺旋共振亚稳态束流产生装置的其它效果，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳的底端开口、顶端设有带开孔的顶板；
放电管，所述放电管插装在所述外壳内，并且所述放电管外套装有螺旋线圈；所述放电管的顶端插入所述开孔中；
永磁体，所述永磁体圈在所述外壳外周，用于在所述放电管处产生与所述放电管的延伸方向平行的磁场。
2.根据权利要求1所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，还包括磁屏蔽件，所述磁屏蔽件形成一端开口的容置腔，所述外壳的顶端插装并固定在所述容置腔内，所述磁屏蔽件上与所述开孔对应的位置处设有与所述开孔连通的透孔；所述放电管的顶端插入所述开孔和所述透孔中；所述永磁体安装在所述容置腔内。
3.根据权利要求2所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述外壳的顶板贴近所述容置腔的内壁。
4.根据权利要求2所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述开孔的内径大于所述放电管的外径，所述透孔的内径大于所述放电管的外径。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述磁屏蔽件包括：
磁屏蔽前端板，所述磁屏蔽前端板贴近所述外壳的顶板，并且所述透孔设置在所述磁屏蔽前端板上；
磁屏蔽侧板，所述磁屏蔽侧板为环形，并圈在所述外壳的外周；所述磁屏蔽侧板一端固定于所述磁屏蔽前端板；所述永磁体位于所述磁屏蔽前端板和磁屏蔽侧板围成的容置腔内。
6.根据权利要求5所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述磁屏蔽前端板上设有沉孔，所述顶板位于所述沉孔内。
7.根据权利要求1所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述外壳为铜外壳，用于屏蔽所述螺旋线圈发出的电磁波。
8.根据权利要求1所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述外壳上设有射频功率输入端，所述射频功率输入端与所述螺旋线圈相连。
9.根据权利要求1所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置，其特征在于，所述放电管为石英管或者氮化铝管。
10.一种原子阱痕量分析试验设备，其特征在于，包括真空腔和设置在所述真空腔内的螺旋共振亚稳态束流产生装置，所述螺旋共振亚稳态束流产生装置为权利要求1-9任意一项所述的螺旋共振亚稳态束流产生装置。
11.根据权利要求10所述的原子阱痕量分析试验设备，其特征在于，所述螺旋共振亚稳态束流产生装置的放电管由气路组件提供放电气体；所述螺旋共振亚稳态束流产生装置的螺旋线圈通过所述射频功率输入端与射频信号源装置相连。
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