專利名稱：一種加速器質譜裝置及加速器質譜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于加速器質譜技術領域，具體涉及一種基于低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及加速器質譜14C測量方法。
背景技術：
加速器質譜(AMS)作為一項具有超高靈敏度的分析技術已廣泛應用于地球科學、考古學、生命科學、環(huán)境科學、天體物理學和材料科學等領域。AMS裝置主要測量14C等放射性核素與其穩(wěn)定同位素的比值，從而進行測年或示蹤等研究，它利用加速器將待測核素離子加速到較高能量，可以有效地抑制分子離子和同量異位素干擾，達到超高靈敏度。AMS性能主要為測量精度、靈敏度和測量效率。
一般AMS裝置包括離子源、注入系統(tǒng)、加速器、高能分析系統(tǒng)和離子探測器。加速器普遍采用串列靜電加速器和串列高頻高壓加速器。這兩類加速器均用高壓電極與地電位之間產生的高壓電場加速離子，高壓電極和加速管需要放在鋼筒中，鋼筒中充有高壓SF6氣體進行絕緣，顯然使用SF6氣體不利于環(huán)境保護。為保證絕緣效果，還需要氣體循環(huán)干燥處理等較為復雜的裝置。為保證測量精度需將不同同位素離子都通過加速器進行加速，但這類加速器束載能力較低，需要一套比較復雜的交替注入系統(tǒng)，以使具有較高流強的穩(wěn)定同位素只在短時間內注入加速器。亦有人采用同時注入的方法，但其注入系統(tǒng)更為復雜，需先將不同同位素離子分開，對具有較高流強的穩(wěn)定同位素離子束流進行衰減，然后再將不同同位素離子匯合起來注入到加速器中。這種同時注入方法的測量本底較高，相應的高能分析系統(tǒng)也比較復雜。
最近出現(xiàn)了一種Single Stage AMS(SSAMS)裝置，這種裝置采用300kV單級靜電加速管，不需要鋼筒，但有部分裝置不可避免地要處于高電位上，運行操作不便，有一定的局限性，且由于能量太低而使測量靈敏度受到一定影響。
還有一種小型回旋加速器也被用于AMS，基于這種加速器的AMS由于傳輸效率的制約，使測量精度和測量效率都偏低。

發(fā)明內容
本發(fā)明克服了上述各種加速器質譜裝置存在的問題，提供一種基于低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及加速器質譜14C測量方法，可提高測量效率。
本發(fā)明的技術內容一種加速器質譜裝置，包括離子源、聚束器、射頻四極場(RFQ)加速器、電子剝離器、高能分析系統(tǒng)以及探測器，上述部件按順序聯(lián)接，RFQ加速器分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行電子剝離，可消除分子離子干擾。
在聚束器和RFQ加速器之間設置聚焦透鏡，離子源引出的連續(xù)束流分別被縱向聚束和橫向聚焦后注入到RFQ加速器中。
RFQ加速器之后連接一電子剝離器，該電子剝離器處于地電位和開放空間位置。
在RFQ加速器和電子剝離器之間可設置聚焦透鏡。
高能分析系統(tǒng)包括一個分析磁鐵，分析磁鐵后有穩(wěn)定同位素測量用法拉第杯用于測量12C、13C。
高能分析系統(tǒng)還可包括一個靜電分析器或交叉場分析器。
本加速器質譜裝置還需包括控制系統(tǒng)，通過計算機控制整個裝置的運行，實現(xiàn)不同同位素離子的交替加速，以及進行數(shù)據(jù)處理。
本加速器質譜裝置相應的加速器質譜14C測量方法是1)離子源引出的連續(xù)束流被聚束成脈沖束流注入到RFQ加速器中；2)通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，實現(xiàn)14C、12C、13C三種離子的交替加速；3)經(jīng)電子剝離后，14C、12C、13C正離子分別由高能分析系統(tǒng)中的法拉第杯和探測器進行測量。
本發(fā)明的技術效果本發(fā)明是射頻四極場(RFQ)加速器應用于AMS領域的技術，具有以下優(yōu)點1)不再需絕緣氣體SF6，從而省去高壓容器及氣體循環(huán)干燥處理等一系列裝置，簡便且有利于環(huán)境保護；2)在保證測量精度和效率的前提下，不再需要復雜的快交替注入系統(tǒng)或同時注入系統(tǒng)；3)電子剝離器處在地電位，維護操作方便且可嘗試多種剝離技術；4)高能分析系統(tǒng)簡單；5)整體結構體積小巧，操作簡便。


下面結合附圖，對本發(fā)明做出詳細描述。
圖1RFQ加速器的電極結構示意圖；a)電極的橫截面圖；b)電極的縱向剖面圖；圖2本發(fā)明基于RFQ加速器的加速器質譜裝置的結構示意圖。
1-離子源；2-聚束器；3-單透鏡；4-RFQ加速器；5-電子剝離器；6-分析磁鐵；7-法拉第杯；8-靜電分析器；9-固體探測器。
具體實施例方式
與其他AMS系統(tǒng)的主要區(qū)別是本發(fā)明采用了RFQ加速器。RFQ加速器具有束流傳輸效率高，體積小巧等特點，但其輸出束流的能散較大，一般在1％左右。根據(jù)AMS技術的要求，RFQ加速器出口處的14C束流能散最好小于0.5％。本發(fā)明采用外聚束RFQ加速器，通過在RFQ加速器前端加聚束器進行脈沖束流注入，同時在RFQ加速電極的設計中采用增大加速段同步相位和減小加速段電極調制系數(shù)m(參見圖1)等措施，可以實現(xiàn)RFQ加速器輸出束流的低能散特性。這樣即可使能散得到顯著的改善，同時也使RFQ尺寸減小，功耗降低。另外，RFQ加速器本身即可作為一級分析器，可有效分離14C、12C、13C三種同位素離子，不再需要注入預分析磁鐵以及快交替系統(tǒng)或同時注入系統(tǒng)，使AMS注入系統(tǒng)大大簡化，可只包含一個聚束器和一個單透鏡。
在AMS裝置中使用RFQ加速器所帶來的一個好處是，其后連接的電子剝離器處于地電位和開放空間中，而不像一般AMS系統(tǒng)的剝離器在高壓電極內的高電位上，從而維護操作方便且可嘗試多種剝離技術。
在AMS裝置中使用RFQ加速器所帶來的另一個好處是，盡管采用同時注入方法，由于其12C、13C干擾本底較低，高能分析系統(tǒng)可以比較簡單，例如只包括一個分析磁鐵和一個靜電分析器。為保證同位素比值測量的精度，不同同位素離子都要通過高能分析系統(tǒng)中的分析磁鐵。分析磁鐵后有穩(wěn)定同位素測量用法拉第杯用于測量12C、13C，而14C則用探測器測量。
本發(fā)明的特殊測量方法為直接利用RFQ加速器對不同荷質比的離子具有很強的傳輸選擇性，實現(xiàn)不同同位素比值的測量。一般AMS系統(tǒng)通過快交替注入實現(xiàn)14C、12C、13C三種同位素離子的比值測量，即交替改變注入磁鐵真空盒上的高壓，使不同質量的同位素具有不同的能量從而可以順序注入串列加速器。而RFQ加速器對于14C、12C、13C三種離子的傳輸有很強的選擇性，根據(jù)RFQ加速器對14C、12C、13C三種離子的選擇性，分別采用不同的射頻電磁場功率來加速其中一種離子，在這一功率下，其他兩種離子基本得不到加速，從而被分離，即在相同加速器參數(shù)下，只有一種粒子可得到所需能量，另外兩種粒子不僅所得能量低，而且傳輸效率差。因此，本發(fā)明通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，來交替加速14C、12C、13C三種離子，以使其達到相同的能量，經(jīng)電子剝離、分析磁鐵分析后分別加以測量。
離子源、高能分析系統(tǒng)和探測器均可采用美國NEC公司的基于串列加速器的小型化AMS系統(tǒng)相似的設計，離子源采用多靶位濺射負離子源，高能分析系統(tǒng)由一個分析磁鐵和一個靜電分析器組成，探測器采用金硅面壘固體探測器。
圖2所示為具體實施本發(fā)明的一個例子，下面對該實施例的各主要部件做具體說明1、離子源離子源1可選用AMS系統(tǒng)常用的多靶位銫濺射負離子源，其作用為將石墨樣品轉化為具有一定能量的帶電離子束。采用負離子可消除14N的同量異位素干擾。
2、聚束器在聚束器2和RFQ加速器之間設有聚焦透鏡3。從離子源引出的連續(xù)束進行縱向聚束和橫向聚焦并注入到RFQ加速器，14C、12C、13C三種離子同時注入。
1)聚束器聚束器可采用雙漂移諧波聚束器，離子源引出的直流束經(jīng)此聚束器成為脈沖束之后再進入RFQ加速器，可以有效縮短RFQ加速器的長度和降低輸出束流的能散。
2)單透鏡可選擇通用型單透鏡，其作用是使束流橫向聚焦，與RFQ加速器入口處進行匹配。
3、RFQ加速器RFQ加速器4采用微翼型結構，可分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行剝離，消除分子離子干擾。
1)加速能量通過對不同能量下氣體剝離效率和加速器后分析系統(tǒng)要求的綜合分析，加速能量可選擇0.4MV。
2)極間電壓綜合考慮能耗和特征半徑，極間電壓選50kV。
3)工作頻率綜合考慮聚焦和加速長度，工作頻率選108MHz。
4)能散通過束流動力學優(yōu)化設計，能散可減小至0.6％。
5)傳輸效率對選定的離子，模擬計算給出的傳輸效率可達100％。
4、電子剝離器電子剝離器5在緊接RFQ加速器之后，可以是一套循環(huán)剝離系統(tǒng)，即剝離氣體可通過一個分子泵循環(huán)使用，從而使加速器中和束線中的真空保持在盡可能高的狀態(tài)。負離子通過剝離器后被剝離成正離子，分子離子如13CH+不穩(wěn)定，發(fā)生離解，其碎片質量與14C不同，在以后的分析器中的軌跡也不相同，從而被分離。RFQ加速器與電子剝離器之間有一個聚焦透鏡，可對RFQ加速器出口束流進行橫向聚焦。
5、高能分析系統(tǒng)高能分析系統(tǒng)可包括一個分析磁鐵6和一個靜電分析器8，束流光路設計應使其結構緊湊，不包含任何額外聚焦元件。分析磁鐵后有穩(wěn)定同位素測量用法拉第杯7用于測量12C、13C。高能分析系統(tǒng)可有效抑制各種干擾離子，保證探測器只對14C離子進行計數(shù)。
6、探測器在高能分析系統(tǒng)的靜電分析器之后，用固體探測器9對14C進行計數(shù)。
7、控制系統(tǒng)通過計算機控制整個裝置的運行，實現(xiàn)不同同位素離子的交替加速，以及進行數(shù)據(jù)處理，計算14C/12C與14C/13C比值。
權利要求
1.一種加速器質譜裝置，包括離子源、聚束器、射頻四極場(RFQ)加速器、電子剝離器、高能分析系統(tǒng)以及探測器，上述部件按順序聯(lián)接，RFQ加速器分別將14C、12C、13C離子加速到一定能量以進行電子剝離，可消除分子離子干擾。
2.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特征在于在聚束器和RFQ加速器之間設置聚焦透鏡，離子源引出的連續(xù)束流分別被縱向聚束和橫向聚焦后注入到RFQ加速器中。
3.如權利要求1或2所述的加速器質譜裝置，其特征在于RFQ加速器之后連接一電子剝離器，該電子剝離器處于地電位和開放空間位置。
4.如權利要求3所述的加速器質譜裝置，其特征在于在RFQ加速器和電子剝離器之間可設置聚焦透鏡。
5.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特征在于高能分析系統(tǒng)包括一個分析磁鐵，分析磁鐵后有穩(wěn)定同位素測量用法拉第杯用于測量12C、13C。
6.如權利要求5所述的加速器質譜裝置，其特征在于高能分析系統(tǒng)還包括一個靜電分析器或交叉場分析器。
7.如權利要求1所述的加速器質譜裝置，其特征在于還包括一控制系統(tǒng)，通過計算機控制整個裝置的運行，實現(xiàn)不同同位素離子的交替加速，以及進行數(shù)據(jù)處理。
8.一種加速器質譜14C測量方法，包括1)離子源引出的連續(xù)束流被聚束成脈沖束流注入到RFQ加速器中；2)通過交替改變饋入RFQ加速器的射頻功率，交替加速14C、12C、13C三種離子；3)經(jīng)電子剝離后，12C、13C、14C正離子分別由高能分析系統(tǒng)中的法拉第杯和探測器進行測量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于低能散RFQ加速器的加速器質譜裝置及相應的加速器質譜
文檔編號G01N27/00GK1916622SQ200510086258
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權日2005年8月19日
發(fā)明者陳佳洱, 郭之虞, 劉克新, 方家馴, 謝誼, 顏學慶 申請人:北京大學