CN118098670A - 用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统 - Google Patents

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何小斐
耿少飞
于利明
陈伟
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    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
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Abstract

本发明公开了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，包括：将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。本发明解决了粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。

Description

用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统
技术领域
本发明涉及混合高能粒子束中粒子分离技术领域，具体涉及用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统。
背景技术
含有正、负离子与中性粒子的混合高能粒子束的各成分通常采用磁场或电场进行分离。第一，磁场分离方法主要采用一个电磁铁产生的磁场对带电离子进行偏转，对于不同能量的入射粒子则通过控制电磁铁中的电流来改变磁场，从而调节粒子轨迹与出射位置；其优点是在整个过程中磁场不改变带电粒子的速度大小；但粒子出射方向无法与入射方向保持平行，并且想要精准控制电磁铁中的电流以获得理想的偏转磁场是一件繁琐的事情。第二，电场分离方法是用面电极产生的静电场来实现对带电离子的偏转，有平行金属板电极和弯曲金属板电极。其中(单组)平行板电极加工难度低，供电方式简单，但粒子出射的大小和方向相比入射时均发生了显著变化，这对于要求粒子出射速度大小与方向不变的场合来说是不适用的。相较于平行板电极，弯曲电极则可以很好地控制粒子的出射方向，使之沿设计的轨迹运动；但粒子的出射大小依旧发生了较大变化，并且对于不同能量的带电离子入射时，想要控制轨迹的一致性是一件困难的事情。
发明内容
本发明目的在于提供用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，该方法采用三组平行板电极的组合结构，可有效分离各组分粒子并保证出射速度(大小和方向)与入射时保持一致，以解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，该方法是基于三组平行板电极进行混合高能粒子束中粒子分离；该方法包括：
将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；
控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
本发明分离方法采用三组相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正负离子及中性粒子)进行分离；具体地，采用三组带电平行板电极结构对混合高能粒子束进行有效分离并保持出射速度(大小和方向)与入射时平行；先正向、再反向偏转的模式可使三种粒子出射能量与入射能量保持一致以满足标定需求；采用线性电压供给方式可使不同能量的粒子通过分离器时遵循相同的轨迹而无须调节平行板几何参数。本发明可分离粒子能量范围宽(0.5-200keV)、保证出射速度与入射时一致等优点，解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。
进一步地，三组平行板电极的几何参数均相同，几何参数包括板长(L)和板间距(D)等，而板间距可根据混合高能粒子束的种类进行预先设定；
三组平行板电极的具体相对位置(如水平距离和垂直距离)与离子种类有关，具体相对位置是根据正离子、负离子属性通过计算后设定。
进一步地，三组平行板电极采用同一可调高压电源进行并联供电，三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同。
进一步地，对于混合高能粒子束中某一带电粒子成分而言，混合高能粒子束中不同能量的带电粒子通过前级电极、后级电极时，只需要通过调节板间电压与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化即可保证粒子所经历的轨迹是相同的，而无需调节三组平行板电极的几何参数。
进一步地，板间电压的计算公式为：
式中，U、L、d分别表示平行板电极的板间电压、板长和板间距；E为离子的能量；q为离子的电荷量。
进一步地，反向偏转指的是正离子束、负离子束经过后级电极时的偏转方向与前级电极相反。
进一步地，该方法适应于要求粒子出射速度已知的粒子能量标定平台。
第二方面，本发明又提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，该装置包括：
电极布置单元，用于将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；
控制分离单元，用于控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
第三方面，本发明又提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，该系统包括用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置、电压控制器、一个可调高压电源和三组平行板电极；
电压控制器，用于控制调节各组平行板电极的板间电压以使其与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化；
可调高压电源，用于为三组平行板电极进行并联供电，且三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同；
用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，用于基于布置好的三组平行板电极，通过电压控制器调节板间电压控制入射进来的高能混合粒子束中的各粒子进行分离，并保持各粒子出射速度(大小和方向)与入射时相同，即各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
进一步地，该系统还包括机械结构，机械结构用于调节各组平行板电极的板间距离。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，采用三组相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正负离子及中性粒子)进行分离；本发明可将高能混合粒子束中的正离子、负离子与中性粒子进行有效分离并保持出射速度(大小和方向)与入射时相同；采用线性电压供给方式可使不同能量的粒子通过分离器时遵循相同的轨迹而无须调节平行板几何参数；且硬件系统容易加工、成本低，可分离粒子能量范围宽(0.5-200keV)、保证出射速度与入射时一致等优点，解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法流程图；
图2为本发明三组平行板电极分离混合离子束(以H0,H-和H+的混合粒子束为例)的原理示意图；
图3为本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置结构框图；
图4为本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
含有正、负离子与中性粒子的混合高能粒子束的各成分通常采用磁场或电场进行分离，但磁场分离方法中粒子出射方向无法与入射方向保持平行，并且想要精准控制电磁铁中的电流以获得理想的偏转磁场是一件繁琐的事情；而电场分离方法粒子出射的大小和方向相比入射时均发生了显著变化，这对于要求粒子出射速度大小与方向不变的场合来说是不适用的。相较于平行板电极，弯曲电极则可以很好地控制粒子的出射方向，使之沿设计的轨迹运动；但粒子的出射大小依旧发生了较大变化，并且对于不同能量的带电离子入射时，想要控制轨迹的一致性是一件困难的事情。
因此，为了解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题，本发明设计了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，该方法采用三组平行板电极的组合结构，可有效分离各组分粒子并保证出射速度(大小和方向)与入射时保持一致，以解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。
本发明分离方法采用三组相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正负离子及中性粒子)进行分离；具体地，采用三组带电平行板电极结构对混合高能粒子束进行有效分离并保持出射速度(大小和方向)与入射时平行；先正向、再反向偏转的模式可使三种粒子出射能量与入射能量保持一致以满足标定需求；采用线性电压供给方式可使不同能量的粒子通过分离器时遵循相同的轨迹而无须调节平行板几何参数；三组平行板电极采用单一高压电源供电。本发明分离方法及系统，硬件结构具有结构简单、成本低，可分离粒子能量范围宽(0.5-200keV)、保证出射速度与入射时一致等优点，解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。
实施例1
如图1所示，本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，该方法适应于要求粒子出射速度已知的粒子能量标定平台。该方法是基于三组平行板电极进行混合高能粒子束中粒子分离；如图2所示，组平行板电极包括第一组平行板电极①、第二组平行板电极②和第三组平行板电极③；该方法包括：
将第一组平行板电极作为前级电极，将第二组平行板电极和第三组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；
控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
其中，反向偏转指的是正离子束、负离子束经过后级电极时的偏转方向与前级电极相反。
图2为三组平行板电极分离混合离子束(以H0,H-和H+的混合粒子束为例)的原理示意图，①号平行板电极为前级电极，②、③号平行板电极为后级电极，其中红色代表阳极，黑色代表阴极。
作为进一步地实施，三组平行板电极的几何参数均相同，几何参数包括板长(L)和板间距(D)等，而板间距可根据混合高能粒子束的种类进行预先设定；
三组平行板电极的具体相对位置(如水平距离和垂直距离)与离子种类有关，具体相对位置是根据正离子、负离子属性通过计算后设定。
作为进一步地实施，三组平行板电极采用同一可调高压电源进行并联供电，三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同。
作为进一步地实施，对于混合高能粒子束中某一带电粒子成分而言，混合高能粒子束中不同能量的带电粒子通过前级电极、后级电极时，只需要通过调节板间电压与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化即可保证粒子所经历的轨迹是相同的，而无需调节三组平行板电极的几何参数。
以上技术方案，具体所加电压值由离子种类、入射能量、及上述平行板电极的几何参数决定。对于电荷量为q、能量为E的离子，经过前极电极时，垂直方向的偏移量(Δy)可表示为：
其中，U、L、d分别表示平行板电极的板间电压、板长和板间距；E为离子的能量；q为离子的电荷量。偏移量为板间距的1/3为宜，此时所需电压值为：
对于离子组分不变而入射能量发生变化时，可根据上式关系对板间电压进行正比调节，此时即可保证电极相对位置不变的情况下离子的轨迹保持不变。板间电压控制过程如图4所示，将离子的能量信息(如加速电压)输入至电压控制器，电压控制器根据(2)式的关系计算所需的最佳电压，接着将电压信息传到可调高压电源实现对平行板电极电压的控制。
保持三组平行板电极的各种参数相同并采用同一供电系统进行供电不但降低了经济成本，也使得系统控制变得更加容易。尤其是前级电极、后级电极在参数上的对称设计可保证出射的离子束方向仍然与入射时相同，这对于平行度要求较高的粒子分享尤其重要，具有巨大的应用潜力。
本实施例中，三平行板组电压、板间距、板长等参数保持相等的设置使得带电粒子的加速、减速过程所导致的速度变化相抵消，从而保证出射速度大小与入射时相同，出射方向与入射时平行。
本发明分离方法采用三组几何尺寸完全相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正、负离子及中性粒子)进行分离，平行板组的相对位置如图2所示。混合粒子束平行射入前级电极，中性粒子继续沿直线前进直至从整个分离系统出射，正、负离子束沿相反方向经抛物线轨迹偏转出前级电极，随后几乎沿直线运动到达后级电极；作为后级电极的两组平行板电极与前级所夹电压大小相同、方向相反，离子经前级电极偏转、加速，再经后级电极反向偏转、减速后出射。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，该装置与实施例1用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法一一对应；该装置包括：
电极布置单元，用于将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；
控制分离单元，用于控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
其中，各个单元的执行过程按照实施例1的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
实施例3
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，该系统包括实施例2用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置、电压控制器、一个可调高压电源和三组平行板电极；
电压控制器，用于控制调节各组平行板电极的板间电压以使其与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化；
可调高压电源，用于为三组平行板电极进行并联供电，且三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同；
用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，用于基于布置好的三组平行板电极，通过电压控制器调节板间电压控制入射进来的高能混合粒子束中的各粒子进行分离，并保持各粒子出射速度(大小和方向)与入射时相同，即各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
作为进一步地实施，该系统还包括机械结构，机械结构用于调节各组平行板电极的板间距离。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，该方法是基于三组平行板电极进行混合高能粒子束中粒子分离；该方法包括：
将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；所述后级电极与所述前级电极保持平行，所述后级电极中的两组平行板电极的电场方向与所述前级电极相反；
控制多种混合高能粒子束入射至所述前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过所述前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入所述后级电极进行反向偏转减速；通过所述前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从所述后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
2.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，三组平行板电极的几何参数均相同，所述几何参数包括板长和板间距，所述板间距根据混合高能粒子束的种类进行预先设定；
三组平行板电极的具体相对位置与离子种类有关，所述具体相对位置是根据正离子、负离子属性通过计算设定。
3.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，三组平行板电极采用同一可调高压电源进行并联供电，三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同。
4.根据权利要求3所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，混合高能粒子束中不同能量的带电粒子通过所述前级电极、后级电极时，仅通过调节板间电压与粒子能量呈线性关系变化即可保证粒子所经历的轨迹是相同的，而无需调节三组平行板电极的几何参数。
5.根据权利要求4所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，所述板间电压的计算公式为：
式中，U、L、d分别表示平行板电极的板间电压、板长和板间距；E为离子的能量；q为离子的电荷量。
6.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，所述反向偏转指的是正离子束、负离子束经过所述后级电极时的偏转方向与所述前级电极相反。
7.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，该方法适应于要求粒子出射速度已知的粒子能量标定平台。
8.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，其特征在于，该装置包括：
电极布置单元，用于将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；所述后级电极与所述前级电极保持平行，所述后级电极中的两组平行板电极的电场方向与所述前级电极相反；
控制分离单元，用于控制多种混合高能粒子束入射至所述前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过所述前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入所述后级电极进行反向偏转减速；通过所述前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从所述后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。
9.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，其特征在于，该系统包括如权利要求8所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置、电压控制器、一个可调高压电源和三组平行板电极；
所述电压控制器，用于控制调节各组平行板电极的板间电压以使其与粒子能量呈线性关系变化；
所述可调高压电源，用于为三组平行板电极进行并联供电，且三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同；
所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，用于基于布置好的三组平行板电极，通过所述电压控制器调节板间电压控制入射进来的高能混合粒子束中的各粒子进行分离，并保持各粒子出射速度与入射时相同。
10.根据权利要求9所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，其特征在于，该系统还包括机械结构，所述机械结构用于调节各组平行板电极的板间距离。
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