本發(fā)明屬于同位素檢測，具體涉及一種基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、環(huán)境中的钚同位素檢測在核工業(yè)及環(huán)境分析中具有重要意義。由于環(huán)境中钚同位素(239pu、240pu等)含量極低，用傳統(tǒng)的α譜儀等方法由于靈敏度的原因無法滿足要求，因此環(huán)境中的钚同位素一般采用質(zhì)譜方法，其中加速器質(zhì)譜(ams)是測量钚同位素靈敏度最高的分析技術(shù)，而ams在測量钚同位素時都是引出钚同位素的負(fù)離子形式并利用傳統(tǒng)的串列加速器的ams裝置實現(xiàn)钚同位素的測定。然而由于钚同位素的電子親合勢非常小，其很難形成原子負(fù)離子形式，因此為了提高钚同位素的負(fù)離子電離效率，采用引出钚同位素的氧化物負(fù)離子形式以提高其負(fù)離子的電離效率，即便如此钚同位素的氧化物負(fù)離子的電離效率依然很低，只有約1％的钚同位素會形成钚同位素的氧化物負(fù)離子，因此極大限制了ams測量的效率和靈敏度。另一方面，钚同位素很容易電離形成正離子，其正離子電離效率可以達(dá)到10-20％，比負(fù)離子電離效率高一個量級以上。因此，本發(fā)明通過采用钚同位素正離子電離方法并利用特殊的單極加速的ams裝置實現(xiàn)對钚同位素的高效高靈敏測定。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置和方法，基于钚同位素的正離子電離效率遠(yuǎn)高于負(fù)離子電離效率的特點，采用一種基于正離子電離的小型低能量(加速能量0.3mev)單極型ams裝置和方法；不采用傳統(tǒng)的串列加速器的ams技術(shù)方法；極大提高了钚同位素的測量效率和靈敏度，實現(xiàn)超痕量钚同位素的高靈敏分析，為在核工業(yè)及環(huán)境方面的應(yīng)用提供高質(zhì)量的分析裝置和技術(shù)。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，包括用于電離钚同位素產(chǎn)生正離子的正離子源，通過注入磁鐵選擇钚同位素的正一價離子送入加速管，經(jīng)加速管加速后的钚同位素的正一價離子進(jìn)入剝離系統(tǒng)后剝離成多電荷態(tài)正離子，通過分析磁鐵選擇3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行分析，經(jīng)靜電分析器排除各種分析碎片干擾后，利用探測器對3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行測定。

4、進(jìn)一步，所述正離子源和注入磁鐵置于0.3mv的高壓臺架上，通過加速管與地電位聯(lián)結(jié)。

5、進(jìn)一步，所述正離子源為微波離子源或激光正離子源。

6、進(jìn)一步，在正離子源與注入磁鐵之間設(shè)有預(yù)加速管。

7、進(jìn)一步，所述預(yù)加速管將钚同位素的正離子加速到能量約為30kev。

8、進(jìn)一步，所述加速管的加速電壓設(shè)定為0.3mv以下。

9、進(jìn)一步，所述剝離系統(tǒng)為可精確控制氦氣流量的循環(huán)氣體系統(tǒng)，可將分子離子進(jìn)行瓦解。

10、進(jìn)一步，所述探測器為正比氣體電離室或微通道板。

11、進(jìn)一步，通過改變注入磁鐵和分析磁鐵的磁場可實現(xiàn)對不同钚同位素離子的測定，同時也可實現(xiàn)對钚同位素比值的測定。

12、進(jìn)一步，采用上述裝置進(jìn)行基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量方法，包括以下步驟：

13、步驟1，利用正離子源將樣品中的钚同位素電離成正離子；

14、步驟2，利用預(yù)加速管將钚同位素的正離子加速到適當(dāng)能量；

15、步驟3，利用注入磁鐵選擇钚同位素的正一價離子送入加速管；

16、步驟4，經(jīng)加速管加速后的钚同位素的正一價離子進(jìn)入剝離系統(tǒng)后剝離成多電荷態(tài)正離子；

17、步驟5，通過分析磁鐵選擇3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行分析；

18、步驟6，利用靜電分析器排除各種分析碎片干擾；

19、步驟7，利用探測器對3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行測定。

20、進(jìn)一步，步驟1中，所述正離子源為微波離子源或激光正離子源。

21、進(jìn)一步，步驟2中，所述預(yù)加速管將钚同位素的正離子加速到能量約為30kev。

22、進(jìn)一步，步驟4中，所述剝離系統(tǒng)采用氦氣作為剝離氣體。

23、本發(fā)明的有益效果如下：

24、1、提高了钚同位素的電離效率：相較于負(fù)離子電離的技術(shù)方法，采用正離子(正一價)電離技術(shù)將钚同位素的電離效率提高10倍以上；

25、2、簡化了樣品制備流程：在負(fù)離子電離的技術(shù)方法中為了提高電離效率，需要經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)流程將樣品制備成氧化物形式，而采用正離子電離則無需進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)制備流程，對于一些樣品甚至可以不采用化學(xué)提純流程，直接電離即可，極大簡化了樣品的制備流程；

26、3、可實現(xiàn)樣品原位分析：此種技術(shù)和激光電離技術(shù)結(jié)合可實現(xiàn)微區(qū)掃描的原位钚同位素的測定，為一些特殊應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：包括用于電離钚同位素產(chǎn)生正離子的正離子源，通過注入磁鐵選擇钚同位素的正一價離子送入加速管，經(jīng)加速管加速后的钚同位素的正一價離子進(jìn)入剝離系統(tǒng)后剝離成多電荷態(tài)正離子，通過分析磁鐵選擇3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行分析，經(jīng)靜電分析器排除各種分析碎片干擾后，利用探測器對3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行測定。

2.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述正離子源和注入磁鐵置于0.3mv的高壓臺架上，通過加速管與地電位聯(lián)結(jié)。

3.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述正離子源為微波離子源或激光正離子源。

4.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：在正離子源與注入磁鐵之間設(shè)有預(yù)加速管。

5.如權(quán)利要求4所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述預(yù)加速管將钚同位素的正離子加速到能量約為30kev。

6.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述加速管的加速電壓設(shè)定為0.3mv以下。

7.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述剝離系統(tǒng)為可精確控制氦氣流量的循環(huán)氣體系統(tǒng)，可將分子離子進(jìn)行瓦解。

8.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：所述探測器為正比氣體電離室或微通道板。

9.如權(quán)利要求1所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，其特征在于：通過改變注入磁鐵和分析磁鐵的磁場可實現(xiàn)對不同钚同位素離子的測定，同時也可實現(xiàn)對钚同位素比值的測定。

10.一種采用權(quán)利要求1-9中任一項所述裝置進(jìn)行基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

11.如權(quán)利要求10所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量方法，其特征在于：步驟1中，所述正離子源為微波離子源或激光正離子源。

12.如權(quán)利要求10所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量方法，其特征在于：步驟2中，所述預(yù)加速管將钚同位素的正離子加速到能量約為30kev。

13.如權(quán)利要求10所述的基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量方法，其特征在于：步驟4中，所述剝離系統(tǒng)采用氦氣作為剝離氣體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于同位素檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于正離子電離的钚同位素加速器質(zhì)譜測量裝置，包括用于電離钚同位素產(chǎn)生正離子的正離子源，通過注入磁鐵選擇钚同位素的正一價離子送入加速管，經(jīng)加速管加速后的钚同位素的正一價離子進(jìn)入剝離系統(tǒng)后剝離成多電荷態(tài)正離子，通過分析磁鐵選擇3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行分析，經(jīng)靜電分析器排除各種分析碎片干擾后，利用探測器對3+電荷態(tài)钚同位素離子進(jìn)行測定。提高了钚同位素的電離效率，簡化了樣品制備流程，可實現(xiàn)樣品原位分析。

技術(shù)研發(fā)人員：何明,趙慶章,張文慧,李建良,包軼文,李康寧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國原子能科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19