CN117146704A - 一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，包括：S1、使样本离子模拟九种离子束的运动轨迹，确定每个法拉第杯的理论位置；S2、确定第一法拉第杯的安装位置；S3、通过调节磁场电流I0，使进入到第一法拉第杯的离子束流强度最大，将调节后的磁场电流确定为样本磁场电流I1；S4、根据第N个法拉第杯的理论位置，分别在第一位置和第二位置一一对应地设置第一荧光屏和第二荧光屏，在样本磁场电流I1的条件下，采集与第N个法拉第杯对应的第一光斑坐标和第二光斑坐标；S5、基于步骤S2，根据第一光斑坐标和第二光斑坐标确定第N个法拉第杯的位置。该实施方式能够确保接收的离子束汇集度高、离子束流强度大，进而使得测量更为精准。
Description
技术领域
本发明涉及同位素分析技术领域，尤其是涉及一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法。
背景技术
法拉第杯是一种金属制设计成杯状，用来测量带电粒子入射强度的一种真空探测器，适用于高热负荷下的长时间测量，测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量。具有安装、维护方便快捷，工作寿命长的特点。
在对氢同位素丰度测量时，传统的质谱仪通常设置多个法拉第杯对不同质荷比的离子进行测量，而法拉第杯定位不准时，会严重影响各离子的测量，影响氢同位素丰度测量的准确度。
发明内容
本发明的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本公开的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
本发明的一些实施例提供了一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
该用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，所述氢同位素加速器质谱仪包括进样组件、ECR离子源、加速管、磁质量分析器和九个间隔设置的法拉第杯，其中，所述ECR离子源用于对由所述进样组件进入的混合气体电离，产生九种不同质荷比的离子束；所述加速管与所述ECR离子源连接，在所述ECR离子源的引出电压和所述加速管的加速电压作用下，被加速的所述九种不同质荷比的离子束进入到与所述加速管连接的磁分析器；所述磁分析器使所述混合离子束中不同质荷比的离子束分离，并进入到对应的法拉第杯中；所述定位方法包括：S1、基于束流模拟软件，通过设置磁场电流I0以及调节加速管电压U0，使样本离子模拟九种离子束的运动轨迹，确定每个法拉第杯的理论位置的两个角点坐标；S2、根据所述第一法拉第杯的角点坐标以及所述样本离子的离子束的汇聚度确定第一法拉第杯的安装位置；S3、通过调节所述磁场电流I0，使进入到所述第一法拉第杯的离子束流强度最大，将调节后的磁场电流确定为样本磁场电流I1；S4、根据第N个法拉第杯的理论位置，分别在第一位置和第二位置一一对应地设置第一荧光屏和第二荧光屏，在样本磁场电流I1的条件下，采集与所述第N个法拉第杯对应的离子束在所述第一荧光屏和所述第二荧光屏汇聚的第一光斑坐标和第二光斑坐标；S5、基于步骤S2，根据所述第一光斑坐标和所述第二光斑坐标确定所述第N个法拉第杯的位置。
可选的，所述两个角点坐标包括所述法拉第杯杯底中心点与杯口的中心点的坐标。
可选的，所述步骤S2包括：连接所述两个角点构造参考线；将所述第一法拉第杯的轴线与所述参考线重合；沿所述参考线滑动所述第一法拉第杯，响应于所述第一法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高，确定为所述第一法拉第杯的安装位置。
可选的，所述步骤S3包括：通过所述ECR离子源电离样本气体产生样本离子束，在加速管电压U0的条件下，调节磁场电流，确定所述第一法拉第杯中样本离子束流强度；响应于所述样本离子束流强度达到峰值，确定调节后的磁场电流为样本磁场电流I1。
可选的，所述步骤S4包括：朝向所述第一荧光屏设置有第一相机；朝向所述第二荧光屏设置有第二相机。
可选的，所述步骤S4还包括：在所述第N个法拉第杯的理论位置作为第一位置安装第一荧光屏；在样本磁场电流I1的条件下，调整加速管电压U0，使所述样本离子束与所述第N离子束的运动轨迹相同；通过第一相机采集所述样本离子束在所述第一荧光屏汇聚的第一光斑的图像，根据所述图像确定所述第一光斑坐标。
可选的，所述步骤S4包括：在所述第N个法拉第杯的理论位置的预设方向安装第二荧光屏；在样本磁场电流I1的条件下，调整加速管电压U0，使所述样本离子束与所述第N离子束的运动轨迹相同；通过第二相机采集所述样本离子束在所述第二荧光屏汇聚的第二光斑的图像，根据所述图像确定所述第二光斑坐标。
可选的，所述通过第一相机采集所述样本离子束在所述第一荧光屏汇聚的第一光斑的图像，根据所述图像确定所述第一光斑坐标，包括：在暗场条件下，所述第一相机采集所述第一光斑汇集在所述第一荧光屏的第一暗场图像；在亮场条件下，所述第一相机采集所述第一光斑汇集在所述第一荧光屏的第一亮场图像；将所述第一暗场图像与所述第一亮场图像进行比对，基于所述第一荧光屏上的刻线确定所述第一光斑坐标。
可选的，所述通过第二相机采集所述样本离子束在所述第二荧光屏汇聚的第二光斑的图像，根据所述图像确定所述第二光斑坐标，包括：在暗场条件下，所述第二相机采集所述第二光斑汇集在所述第二荧光屏的第二暗场图像；在亮场条件下，所述第二相机采集所述第二光斑汇集在所述第二荧光屏的第二亮场图像；将所述第二暗场图像与所述第二亮场图像进行比对，基于所述第二荧光屏上的刻线确定所述第二光斑坐标。
可选的，所述步骤S5包括：将所述第一光斑坐标和所述第二光斑坐标的连线构造参考线；将所述第N法拉第杯的轴线与所述参考线重合；沿所述参考线滑动所述第N法拉第杯，响应于所述第N法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高，确定为所述第N法拉第杯的安装位置。
本发明的上述实施例具有如下有益效果：通过本发明的一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，能够提高每个法拉第杯的定位精度。
具体来说，首先确定每个法拉第杯的理论位置的两个角点坐标。接下来在上述理论位置的基础上不断修正，根据离子束的汇集度调整第一法拉第杯的位置，使进入到第一法拉第杯的离子束汇集度更高，从而能够提高对该离子测量的精准度。接下来确定样本磁场电流I1，使进入到第一法拉第杯的离子束流强度最大，同样能够提高该离子测量的精准度。最后通过第一和第二荧光屏确定对应离子汇聚的第一光斑坐标和第二光斑坐标能够确定该法拉第杯的位置。
如此一来，能够确保定位后的法拉第杯接收的离子束汇集度高、离子束流强度大，进而使得对离子的测量更为精准，使得各法拉第杯的位置更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的一种氢同位素加速器质谱仪的一个实施例的结构示意图；
图2为根据本公开的一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法的一些实施例的流程图。
附图标记说明：
1：样品气管道；2：辅助支撑气管道；3：进气系统；4：ECR离子源；5：加速管；6：质量分析器；7：法拉第杯。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
请参阅图1，图1为本发明的一种氢同位素加速器质谱仪的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该氢同位素加速器质谱仪包括进样组件、ECR离子源4、加速管5、磁分析器6以及九个法拉第杯。
该进样组件与ECR离子源4连接。具体而言，进样组件包括进气系统3、样品气管道1以及辅助支撑气管道2。上述样品气管道1与上述进气系统3左侧进气端(图1中的方向)连接，用于将氢同位素气体通入到上述进气系统3。上述辅助支撑气管道2与上述进气系统3的左侧进气端(图1中的方向)连接，用于通入辅助气体到上述进气系统3。上述进气系统3右侧(图1中的方向)的出气端与上述ECR离子源4连接。
由于上述辅助支撑气管道2中通入辅助气体作为支撑其体，能够进一步使ECR离子源4对混合气体作用后产生H+、H2 +/D+、T+/HD+/3He+/H3 +、D2 +、DT+、T2 +、C+、N+、以及O+单原子离子。作为示例，上述辅助气体可以是氩气，氩气不仅可以有效降低H2 +的生成，而且有利于H2的瓦解和促进H+的生成。作为另一示例，上述辅助气体还可以是氦气。
上述加速管5与ECR离子源4的出口端连接，该加速管5可以是电场加速器。该加速管5的两端分别连接高电压和接地。如此一来，上述混合离子束在经过该加速管5时在高压静电场的作用下加速，因此获得较高的能量。
综合来说，混合离子束的能量是通过ECR离子源4的引出电压的预加速和加速管5的高压静电场加速实现的。
上述磁分析器包括电磁铁，电磁场强度在0-1T之间连续可调。该磁分析器根据不同质荷比的离子束在磁场中偏转轨迹半径不同，能够将上述混合离子束中的H+、H2 +/D+、T+/HD+/3He+/H3 +、D2 +、DT+、T2 +、C+、N+、以及O+九种离子束分离，形成第一至第九离子束。进而打入九个间隔设置的法拉第杯7中。
该法拉第杯7能够确定对应的离子束的离子信号强度，进而确定入射的离子数量。
接下来请参阅图2，图2为一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法。如图2所示，该定位方法包括以下步骤：
步骤S1，基于束流模拟软件，通过设置磁场电流I0以及调节加速管电压U0，使样本离子模拟九种离子束的运动轨迹，确定每个法拉第杯的理论位置的两个角点坐标。
在一些实施例中，确定一种离子作为样本离子。通过在相关的束流模拟软件中输入初始的磁场电流I0以及初始的加速管电压U0，可以模拟出该样本离子束的运动轨迹。接下来，通过改变加速管电压U0，可以改变样本离子束的运动轨迹，进而模拟出九种离子束在加速管电压U0和磁铁电流I0下的运动轨迹。
进一步地，将离子束汇聚最集中的位置确定为对应法拉第杯的理论位置。进而确定每个法拉第杯理论位置的两个角点坐标。具体而言，上述角点坐标可以是该法拉第杯杯底中心点与杯口的中心点在靶室中的坐标。
步骤S2，根据第一法拉第杯的角点坐标以及样本离子的离子束的汇聚度确定第一法拉第杯的安装位置。
在一些实施例中，在安装第一法拉第杯时，可以先将该第一法拉第杯的两个角点坐标与第一法拉第杯的理论位置的两个角点坐标重合放置，再找到离子束汇聚度最高的位置，将第一法拉第杯朝向该位置进行微调，最终确定第一法拉第杯的安装位置。
在一些实施例的可选实现方式中，首先连接上述第一法拉第杯的理论位置的两个角点坐标，构造参考线。接下来将第一法拉第杯的轴线与该参考线重合，沿该参考线滑动，当第一法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高时，停止移动，将该位置确定为第一法拉第杯的安装位置，此时，第一法拉第杯不但能够接受的离子束最密集，同时安装角度与离子束的入射角度相匹配，进而能够提高对进入第一法拉第杯的离子束测量的精准度。
步骤S3，通过调节所述磁场电流I0，使进入到所述第一法拉第杯的离子束流强度最大，将调节后的磁场电流确定为样本磁场电流I1；
在一些实施例中，进入到第一法拉第杯的离子束流强度最大，能够提高该离子测量的精准度。因此在加速管电压U0的条件下，调节磁场电流。
具体来说，首先通过ECR离子源电离样本气体产生样本离子束。例如由上述进样组件通入氦气，在ECR离子源电离下形成4He+。施加加速管电压U0以及磁场电流I0，该样本离子被加速，经磁质量分析器偏转后射入靶室中安装好的第一法拉第杯中。最后，保持加速管电压U0不变，改变磁场电流I1。确定第一法拉第杯中样本离子束流强度，响应于样本离子束流强度达到峰值，此时磁场强度最佳，确定调节后的磁场电流为样本磁场电流I1。
步骤S4，根据第N个法拉第杯的理论位置，分别在第一位置和第二位置一一对应地设置第一荧光屏和第二荧光屏，在样本磁场电流I1的条件下，采集与第N个法拉第杯对应的离子束在第一荧光屏和第二荧光屏汇聚的第一光斑坐标和第二光斑坐标。
在一些实施例中，第N个法拉第杯表征第二至第九法拉第杯。接下来以第二法拉第杯定位过程为例进行说明。
上述第一位置可以是上述确定的第二法拉第杯的理论位置。在该第一位置上设置第一荧光屏，同时在朝向该第一荧光屏的靶室的观察口设置第一相机。该第一相机的参数设置成能够清晰的采集第一荧光屏的图像。
接下来，以样本磁场电流I1确定磁场强度，将加速管电压调节成使得样本离子能够与第二离子束的运动轨迹相同。当样本离子束经过第一荧光屏时，能够在第一荧光屏上汇聚为小而亮的第一光斑。
可以通过第一相机采集第一荧光屏上的图像，接下来对上述图像进行调整亮度、对比度和色彩平衡等处理，再通过图像处理算法识别第一光斑的特征，并定位第一光斑坐标。
在一些实施例的可选实现方式中，可以分别在暗场条件和亮场条件下，通过第一相机分别采集样本离子束经过第一荧光屏时产生第一光斑时的第一暗场图像和第一亮场图像，通过第一暗场图像确定第一光斑的像素坐标位置，再通过第一亮场图像找到对应的第一荧光屏上的刻线位置，进而确定第一光斑坐标。
在一些实施例中，上述第二位置可以是与第一位置相邻。或者是由第二法拉第杯理论位置沿预设方向确定的。上述预设方向可以是多个法拉第杯的排列方向。本领域技术人员可以根据实际情况进行调整。
在该第二位置上设置第二荧光屏，同时在朝向该第二荧光屏的靶室的观察口设置第二相机。该第二相机的参数设置成能够清晰的采集第二荧光屏的图像。
接下来，以样本磁场电流I1确定磁场强度，将加速管电压调节成使得样本离子能够与第二离子束的运动轨迹相同。当样本离子束经过第二荧光屏时，能够在第二荧光屏上汇聚为小而亮的第二光斑。
可以通过第二相机采集第二荧光屏上的图像，接下来对上述图像进行调整亮度、对比度和色彩平衡等处理，再通过图像处理算法识别第二光斑的特征，并定位第二光斑坐标。
需要说明的是，可以先设置第一荧光屏和第一相机，在确定第一光斑坐标后，移动第一荧光屏到第二位置作为第二荧光屏，同样的，第一相机同步移动到第二荧光品对侧作为第二相机。
在一些实施例的可选实现方式中，可以分别在暗场条件和亮场条件下，通过第二相机分别采集样本离子束经过第二荧光屏时产生第二光斑时的第二暗场图像和第二亮场图像，通过第二暗场图像确定第二光斑的像素坐标位置，再通过第二亮场图像找到对应的第二荧光屏上的刻线位置，进而确定第二光斑坐标。
步骤S5，基于步骤S2，根据所述第一光斑坐标和所述第二光斑坐标确定所述第N个法拉第杯的位置。
在一些实施例中，可以将上述第一光斑坐标和第二光斑坐标作为步骤S2中的两个角点坐标。具体而言，将第一光斑坐标和第二光斑坐标的连线构造参考线；将第二法拉第杯的轴线与所述参考线重合；沿参考线滑动所述第二法拉第杯。响应于第二法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高，确定为第二法拉第杯的安装位置。
本公开的一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，通过在步骤S2和步骤S5中，通过两个角点坐标构造参考线，使得该法拉第杯的安装角度与离子束的入射角度相匹配，进而能够提高对进入第一法拉第杯的离子束测量的精准度。
此外，通过样本离子模拟对应离子束的运动轨迹，并在第一和第二荧光屏上采集第一光斑坐标和第二光斑坐标能够更真实的反应离子束的运动情形，因此，以此作为该法拉第杯的角点坐标更为准确，进而使得法拉第杯的定位更准确。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法，其特征在于，所述氢同位素加速器质谱仪包括进样组件、ECR离子源、加速管、磁质量分析器和九个间隔设置的法拉第杯，其中，所述ECR离子源用于对由所述进样组件进入的混合气体电离，产生九种不同质荷比的离子束；
所述加速管与所述ECR离子源连接，在所述ECR离子源的引出电压和所述加速管的加速电压作用下，被加速的所述九种不同质荷比的离子束进入到与所述加速管连接的磁分析器；
所述磁分析器使所述混合离子束中不同质荷比的离子束分离，并进入到对应的法拉第杯中；
所述定位方法包括：
S1、基于束流模拟软件，通过设置磁场电流I0以及调节加速管电压U0，使样本离子模拟九种离子束的运动轨迹，确定每个法拉第杯的理论位置的两个角点坐标；
S2、根据所述第一法拉第杯的角点坐标以及所述样本离子的离子束的汇聚度确定第一法拉第杯的安装位置；
S3、通过调节所述磁场电流I0，使进入到所述第一法拉第杯的离子束流强度最大，将调节后的磁场电流确定为样本磁场电流I1；
S4、根据第N个法拉第杯的理论位置，分别在第一位置和第二位置一一对应地设置第一荧光屏和第二荧光屏，在样本磁场电流I1的条件下，采集与所述第N个法拉第杯对应的离子束在所述第一荧光屏和所述第二荧光屏汇聚的第一光斑坐标和第二光斑坐标；
S5、基于步骤S2，根据所述第一光斑坐标和所述第二光斑坐标确定所述第N个法拉第杯的位置。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述两个角点坐标包括所述法拉第杯杯底中心点与杯口的中心点的坐标。
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
连接所述两个角点构造参考线；
将所述第一法拉第杯的轴线与所述参考线重合；
沿所述参考线滑动所述第一法拉第杯，响应于所述第一法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高，确定为所述第一法拉第杯的安装位置。
4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
通过所述ECR离子源电离样本气体产生样本离子束，在加速管电压U0的条件下，调节磁场电流，确定所述第一法拉第杯中样本离子束流强度；
响应于所述样本离子束流强度达到峰值，确定调节后的磁场电流为样本磁场电流I1。
5.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
朝向所述第一荧光屏设置有第一相机；朝向所述第二荧光屏设置有第二相机。
6.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：
在所述第N个法拉第杯的理论位置作为第一位置安装第一荧光屏；
在样本磁场电流I1的条件下，调整加速管电压U0，使所述样本离子束与所述第N离子束的运动轨迹相同；
通过第一相机采集所述样本离子束在所述第一荧光屏汇聚的第一光斑的图像，根据所述图像确定所述第一光斑坐标。
7.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
在所述第N个法拉第杯的理论位置的预设方向安装第二荧光屏；
在样本磁场电流I1的条件下，调整加速管电压U0，使所述样本离子束与所述第N离子束的运动轨迹相同；
通过第二相机采集所述样本离子束在所述第二荧光屏汇聚的第二光斑的图像，根据所述图像确定所述第二光斑坐标。
8.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述通过第一相机采集所述样本离子束在所述第一荧光屏汇聚的第一光斑的图像，根据所述图像确定所述第一光斑坐标，包括：
在暗场条件下，所述第一相机采集所述第一光斑汇集在所述第一荧光屏的第一暗场图像；
在亮场条件下，所述第一相机采集所述第一光斑汇集在所述第一荧光屏的第一亮场图像；
将所述第一暗场图像与所述第一亮场图像进行比对，基于所述第一荧光屏上的刻线确定所述第一光斑坐标。
9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，所述通过第二相机采集所述样本离子束在所述第二荧光屏汇聚的第二光斑的图像，根据所述图像确定所述第二光斑坐标，包括：
在暗场条件下，所述第二相机采集所述第二光斑汇集在所述第二荧光屏的第二暗场图像；
在亮场条件下，所述第二相机采集所述第二光斑汇集在所述第二荧光屏的第二亮场图像；
将所述第二暗场图像与所述第二亮场图像进行比对，基于所述第二荧光屏上的刻线确定所述第二光斑坐标。
10.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
将所述第一光斑坐标和所述第二光斑坐标的连线构造参考线；
将所述第N法拉第杯的轴线与所述参考线重合；
沿所述参考线滑动所述第N法拉第杯，响应于所述第N法拉第杯汇集的离子束的汇集度最高，确定为所述第N法拉第杯的安装位置。
Priority Applications (1)
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| CN202311108084.6A CN117146704A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311108084.6A CN117146704A (zh) | 2023-08-30 | 2023-08-30 | 一种用于氢同位素加速器质谱仪的法拉第杯的定位方法 |
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