本實用新型屬于同位素電磁分離器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭。
背景技術(shù)：
：電磁分離方法在同位素分離領(lǐng)域具有不可或缺的地位，電磁分離法是利用能量相同、質(zhì)量不同的離子在橫向磁場中旋轉(zhuǎn)半徑不同實現(xiàn)同位素分離的。同位素電磁分離器就是采用電磁分離方法分離得到同位素的設(shè)備。待分離的離子束從同位素電磁分離器的離子源中引出，經(jīng)同位素電磁分離器中的磁場分離，再被接收裝置接收，完成同位素的分離工作。在這一分離過程中，需要測量同位素電磁分離器中離子束的束流在位置與動量的相空間上的分布。分布的面積為束流的發(fā)射度，用以表征束流的品質(zhì)。離子源是同位素電磁分離器的關(guān)鍵設(shè)備，束流的發(fā)射度是離子源設(shè)計的關(guān)鍵因素之一，對離子源像寬的影響很大，因此需要進(jìn)行發(fā)射度的測量，在運行過程中，有時也需要實時測量發(fā)射度。因此，需要一種裝置對發(fā)射度進(jìn)行測量。離子源和離子束都處于真空環(huán)境中，對于離子束的發(fā)射度的測量也在真空環(huán)境中進(jìn)行。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)射度測量有多種方法，常用的有：縫—屏法、孔—熒光屏法、縫—絲法、電壓掃描法?？p—絲法又可分為多縫單絲、單縫多絲和單縫單絲等不同形式。其中電壓掃描是其中重要的一類。電壓掃描有掃描時間短、探頭結(jié)構(gòu)簡單易行的優(yōu)點，更適用于低能強流離子束的發(fā)射度的測量。因此本實用新型采用電壓掃描的方式。為了得到同位素電磁分離器中離子束的束流的發(fā)射度，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭，設(shè)置在離子源束流診斷用發(fā)射度儀上，所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀設(shè)置在同位素電磁分離器上，所述同位素電磁分離器包括設(shè)置在真空環(huán)境中、設(shè)有引出電極的離子源，所述離子源從所述引出電極的引出縫中射出離子束，其中，所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭包括上下平行設(shè)置的、用于靜電偏轉(zhuǎn)的低電位極板、高電位極板，所述高電位極板設(shè)置在所述低電位極板上方；設(shè)置在所述低電位極板、高電位極板兩端的前縫口和后縫口，所述前縫口靠近所述離子源的所述引出縫；還包括設(shè)置在所述后縫口上的法拉第筒；所述離子束能夠從所述前縫口進(jìn)入所述低電位極板、高電位極板之間經(jīng)過靜電偏轉(zhuǎn)后，從所述后縫口進(jìn)入所述法拉第筒。進(jìn)一步，所述低電位極板、高電位極板長度為200mm；所述低電位極板、高電位極板之間的間距為30mm；所述前縫口、后縫口寬度為0.5mm；所述低電位極板、高電位極板上加載掃描電壓。進(jìn)一步，所述掃描電壓為5kV。更進(jìn)一步，所述掃描電壓的掃描步長為20V。進(jìn)一步，還包括設(shè)置在所述后縫口、法拉第筒之間的抑制電極，所述抑制電極加載抑制電壓用于抑制二次電子的逃逸。更進(jìn)一步，所述抑制電壓為300V。進(jìn)一步，所述法拉第筒采用不銹鋼材料制作,所述前縫口設(shè)置在前縫口板上，所述前縫口板采用高純石墨制作。進(jìn)一步，所述低電位極板、高電位極板上設(shè)有偏壓電源線，所述偏壓電源線連接設(shè)置在所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭外部的掃描電源，用于所述掃描電源向所述低電位極板、高電位極板加載所述掃描電壓。進(jìn)一步，所述法拉第筒上設(shè)有信號連線，所述信號連線連接設(shè)置在所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭外部的接收裝置，用于向所述接收裝置發(fā)送所述法拉第筒獲得的電流信號。本實用新型的有益效果在于：能夠測量大張角非軸對稱直流束的發(fā)射度。附圖說明圖1是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的側(cè)視圖；圖2是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的前視圖；圖3是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的原理示意圖；圖4是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的第一關(guān)鍵尺寸及數(shù)值示意圖；圖5是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的第二關(guān)鍵尺寸及數(shù)值示意圖；圖6是本實用新型具體實施方式中來代替p所獲得的發(fā)射度測量數(shù)據(jù)示意圖；圖7是本實用新型具體實施方式中所述離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的掃描電壓輸出與低電位電壓信號源輸出的控制關(guān)系示意圖；圖中：1-前縫口板，2-低電位極板，3-高電位極板，4-后縫口，5-屏蔽罩，6-法拉第筒，7-前縫口，8-離子束，9-抑制電極。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述。本實用新型中的一種離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭(簡稱探頭)是根據(jù)同位素電磁分離器上的Calutron離子源的束流參數(shù)來設(shè)計。本實用新型實施例中，同位素電磁分離器用于對銣元素(Rb)進(jìn)行電磁分離，得到兩種同位素(85Rb、87Rb)，離子束的束流能量為30keV，最大張角達(dá)到±14.5度，流強≤100mA。本實用新型提供的一種離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭，設(shè)置在離子源束流診斷用發(fā)射度儀上，離子源束流診斷用發(fā)射度儀設(shè)置在同位素電磁分離器上。同位素電磁分離器包括設(shè)置在真空環(huán)境中、設(shè)有引出電極的離子源，離子源從引出電極的引出縫中射出離子束。如圖1、圖2所示，本實用新型提供的離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭包括上下平行設(shè)置的、用于靜電偏轉(zhuǎn)的低電位極板2、高電位極板3，高電位極板3設(shè)置在低電位極板2上方；設(shè)置在低電位極板2、高電位極板3兩端的前縫口7和后縫口4，前縫口7靠近離子源的引出縫；還包括設(shè)置在后縫口4上的法拉第筒6；離子束8能夠從前縫口7進(jìn)入低電位極板2、高電位極板3之間經(jīng)過靜電偏轉(zhuǎn)后，從后縫口4進(jìn)入法拉第筒6。本實用新型提供的一種離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭主要用于測量同位素電磁分離器中的離子束束流在位置與動量的相空間上的分布(離子束從同位素電磁分離器的Calutron離子源中經(jīng)引出電極的引出縫射出)，分布的面積為束流的發(fā)射度，用以表征束流的品質(zhì)。因此，需要測量相空間上各點(Xi,pj)上粒子數(shù)密度(用束流密度表征)。然而，X方向上的動量分量不能直接測量，需要轉(zhuǎn)換成可直接測量的物理量：p＝mvx＝mv0sinθ公式(1)其中，p為X方向上的動量，m是離子的質(zhì)量，V0是束流總速度，取決于加速電壓Va；1/2mv02＝eVa公式(2)其中，e為數(shù)學(xué)常數(shù)；一般保持不變。可以通過測量sinθ來獲得p。在θ較小的情況下，(dX是x軸方向的空間微分，dZ是z軸方向的空間微分)此時可用X’來代替p，所獲得的發(fā)射度測量數(shù)據(jù)類似于圖6所示。發(fā)射度的原理主要表現(xiàn)在本實用新型所提供的離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭上，即掃描電壓值與θ的對應(yīng)關(guān)系。探頭由上下平行的低電位極板2和高電位極板3、前縫口7、后縫口4、抑制電極9、法拉第筒6等組成(見圖1、圖3)。如圖3所示在每個偏轉(zhuǎn)電壓(即掃描電壓)下，都唯一對應(yīng)一個θ，只有入射角度為θ的離子才能通過前縫口7、后縫口4，被法拉第筒6接收。法拉第筒6的接收電流表征入射角為θ的離子數(shù)量。低電位極板2、高電位極板3之間的間距為D，低電位極板2、高電位極板3長度為L，低電位極板2、高電位極板3上加載的掃描電壓用V表示。根據(jù)通過前縫口7、后縫口4的離子軌跡及公式(2)，得到：因此，根據(jù)公式(4)，可以通過掃描電壓來獲得所有θ下離子的密度分布，得到的掃描結(jié)果如圖6所示(圖6中，Im為探頭測量電流信號)。探頭中還包括設(shè)置在后縫口4、法拉第筒6之間的抑制電極9(見圖3)，抑制電極9加載抑制電壓用于抑制二次電子的逃逸。抑制電壓為300V。在存在磁場的情況下，二次電子被磁力線約束，可不需要抑制電極。探頭是發(fā)射度儀中最為核心的部件，它的尺寸設(shè)計直接關(guān)系到發(fā)射度儀的測量精度。在探頭的設(shè)計中，關(guān)鍵的尺寸有：低電位極板2、高電位極板3之間的間距D；低電位極板2、高電位極板3長度L；前縫口7、后縫口4的縫口寬度d；低電位極板2、高電位極板3加載的最大掃描電壓Vmax。在設(shè)計時，根據(jù)以下幾個條件來確定以上幾個參數(shù)的值。S<D/2(S是離子束的拋物線高度)，即通過前縫口7、后縫口4的離子不能打到低電位極板2、高電位極板3上，如圖4所示。根據(jù)離子軌跡，有如下關(guān)系：(E是低電位極板2、高電位極板3間的電場強度，等于V/D)則有公式(5)必須恒成立。在本實施例中，Calutron離子源的離子束的張角都不超過14.5°。在對銣元素(Rb)進(jìn)行電磁分離的工藝中，加速電壓Va≈30kVolt。結(jié)合公式(1)，可得到掃描電壓的最大掃描值：V≥2Vasin2(14.5°)≈3.76kVolt公式(6)取Vmax＝4kVolt(R是離子束在電磁分離器中的偏轉(zhuǎn)半徑，B是電磁分離器中磁場強度)當(dāng)磁場大小為1000G時，R＝2310mm。取L<231mm公式(7)α≤0.1°，α為縫口寬度d引起的誤差，如圖5所示。結(jié)合公式(7)(8)可知：d<0.81mm公式(9)出于加工可行性考慮，取d＝0.5mm，代入公式(8)可知，L>143mm公式(10)由公式(4)可知，必須恒成立，而V<4kVolt，因此必須有則，D≥0.138L公式(11)根據(jù)公式(6)-(11)，可確定探頭的幾何尺寸為：參數(shù)單位(mm)參數(shù)單位(mm)參數(shù)單位(mm)L200D30d0.5即本實用新型所提供的探頭中：低電位極板2、高電位極板3長度為200mm；低電位極板2、高電位極板3之間的間距為30mm；前縫口7、后縫口4寬度為0.5mm。低電位極板2、高電位極板3上加載掃描電壓。因為最大掃描電壓為4kVolt，由于θ有正負(fù)之分，故掃描電源的掃描范圍應(yīng)滿足-4kVolt-4kVolt。為確保電源長時間穩(wěn)定輸出，選擇掃描電源時，最大輸出為5kVolt。即本實用新型所提供的探頭的掃描電壓為5kV。對于掃描電壓，掃描步長是比較關(guān)鍵的參數(shù)。步長越小，從公式(4)可知，θ的分辨越好。然而，太小的掃描步長會提高掃描電源的技術(shù)難度，甚至難以實現(xiàn)。并且掃描步長越小，掃描時間越長。因此，需要選擇適合的掃描步長。對公式(4)進(jìn)行微分：可寫成：取根據(jù)公式(12)必須恒成立的條件，可知ΔV≤27.5Volt公式(13)實際選擇掃描步長為20V，即本實用新型所提供的探頭的掃描電壓的掃描步長為20V。本實用新型所提供的探頭中，低電位極板2、高電位極板3上設(shè)有偏壓電源線(附圖中未標(biāo)出)，偏壓電源線連接設(shè)置在離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭外部的掃描電源(掃描電源位于離子源和離子束所處的真空環(huán)境之外)，用于掃描電源向低電位極板2、高電位極板3加載掃描電壓。掃描電源的輸出由低電位電壓信號源(0-10V)來控制，控制的對應(yīng)關(guān)系為線性關(guān)系(如圖7所示，圖中outputvoltage為輸出的掃描電壓，controlsignal為低電位電壓信號源的控制電壓)。在0-2.5V時，掃描電源輸出為零(即掃描電壓為零)；低電位電壓信號源的控制電壓大于2.5V時，掃描電源輸出有如下關(guān)系：(S是控制電壓信號)其中，低電位電壓信號源輸出S＝2.5+0.015n，n＝0,1,……499.本實用新型所提供的離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭的法拉第筒6采用不銹鋼材料制作,前縫口7設(shè)置在前縫口板1上(見圖2)，前縫口板1采用石墨材料制作。法拉第筒6上設(shè)有信號連線(附圖中未標(biāo)出)，信號連線連接設(shè)置在離子源束流診斷用發(fā)射度儀探頭外部的接收裝置(接收裝置位于離子源和離子束所處的真空環(huán)境之外)，用于向接收裝置發(fā)送法拉第筒6獲得的電流信號。此外，還包括設(shè)置在法拉第筒6外圍的屏蔽罩5(見圖1)。本實用新型所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術(shù)創(chuàng)新范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3