一种加速器分析磁铁后疑似离子束的甄别方法及其装置

摘要

本发明公开了一种加速器分析磁铁后疑似离子束的甄别方法及其装置。本发明在分析磁铁后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称的静电偏转板；疑似离子束通过静电偏转板到达离子束位置探测器，通过在离子束位置探测器上偏离中心的距离，判断是否为实验所需离子束，并获得所占的份额为多少。本发明对产生疑似离子束的加速器类型没有限制；对静电加速器产生的疑似离子束，相关甄别计算更为方便；对疑似离子束的种类和数目没有限制；对疑似离子束的束流稳定性没有要求；对疑似离子束的束流强度没有严格要求，只要该疑似离子束能被所使用的离子束位置探测器测量到即可；基本原理清晰，甄别结构简单，成本低，应用可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁技术应用领域，尤其涉及一种加速器分析磁铁后疑似离子束的甄别方法 及其装置。

背景技术

通常情况下，从加速器输出的离子束成分并不单一，它们或者能量有所差异，或者质量 有所不同。因此，为了获得所需的离子束，经常要用离子束偏转分析元件将束流中不同能量 或不同质量的离子成分分离开来，选取符合需要的单一成分的离子通过偏转分析系统，以保 证离子束的纯度，确保相关利用离子束开展的实验研究工作的顺利进行。

常见的离子束偏转分析元件包括：静电分析器，偏转磁铁，开关磁铁，分析磁铁和交叉 场分析器等，其中以分析磁铁应用的最为广泛。

分析磁铁作为一种离子动量分析器，其选择所需离子的基本原理为:

$\mathrm{QB}=\frac{\mathrm{MV}}{R}---\left(1\right)$

其中B为分析磁铁所施加的磁场，Q为离子所带的电荷量，M为离子的质量，V为离子 的速度，R为分析磁铁的曲率半径。

从公式(1)可以看出，如果离子的动量MV与电荷量Q的比值相同，即使离子的质量 和速度并不相同的两种离子，分析磁铁从原理上也是无法将它们分离开来的。

经过加速器加速后获得的离子束，一般情况下，主要成分为某单一成分的离子束，其在 总离子束中所占比例通常会非常高，如果实验要选取的离子恰好为这一构成总离子束主要成 分的单一离子，根据公式(1)调整好分析磁铁的磁场，使其满足实验所需离子顺利通过需要 的动量分析条件，则通过分析磁铁得到的离子无疑为纯度很高的实验所需离子束。

但如果要选取的离子束成分在分析磁铁前的总束流中所占比例份额非常小，或者甚至没 有十分把握确定该实验所需离子束成分的存在，这种情况下经过分析磁铁后，对获得的满足 分析磁铁动量分析条件的离子束，就需要非常认真的加以对待，不能盲目的认为分析磁铁后 获得的离子束即是实验所需的离子束。因为一方面，注入加速器入口的离子束纯度未必很高， 另一方面经过加速器加速后引出的高能离子束在进入分析磁铁前，通常要穿行数米甚至十几 米的距离，高能离子在穿行过程中可能会发生各种情况，如部分离子与输运线管道壁的碰撞 散射，或与输运线管道中残余气体分子的相互作用，失去部分能量，失去部分外层电子，外 层捕获电子，产生具有一定能量的杂质离子等，这些不可控的因素通常情况下均会导致产生 一小部分的非所需离子，而它们又恰好能满足分析磁铁对通过实验所需离子束所设定的动量 分析条件，从而顺利通过分析磁铁。对于分析磁铁后所获得的但又不能十分肯定其是否为实 验所需离子束，我们定义它为疑似离子束。如何判断此疑似离子束是否即为实验所需离子束， 或实验所需离子束在这些疑似离子束中所占的份额为多少，目前在加速器的常规使用中，并 没有很好的方法对经过分析磁铁所获得的疑似离子束进行甄别。

发明内容

针对现有技术中对经加速器加速引出的高能离子束，通过分析磁铁的动量分析选取后， 获得的疑似离子束在进行判断及甄别时存在的问题和不足，本发明提出一种对疑似离子束进 行简易甄别的方法，利用该方法对疑似离子束进行相应的分析和判断，可以获知经过分析磁 铁获得的疑似离子束是否即为实验所需离子束，以及实验所需离子束在分析磁铁后的疑似离 子束中所占的份额为多少。

本发明的一个目的在于提供一种加速器分析磁铁后疑似离子的甄别方法。

本发明的加速器分析磁铁后疑似离子的甄别方法，包括以下步骤：

1)由已知的实验所需离子束的质量M、速度V₀和所带的电荷量Q，根据公式确定分析磁铁应施加的磁场强度，调试分析磁铁，得到分析磁铁后疑似离子束的束流 强度；

2)在分析磁铁后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称的静电偏转板，疑似离子 束的中心为静电偏转板的对称中心，两个静电偏转板间的距离为2D，其沿疑似离子 束行进方向的有效长度为L，两个静电偏转板上所施加的电压为大小可调的正负对称 的恒压，即：一个静电偏转板加正的高压U，另一个静电偏转板则加负的高压-U，在 静电偏转板施加高压U的情况下，两个静电偏转板间将会产生均匀的电场E：从而在与疑似离子束垂直的方向上建立均匀电场；

3)沿着疑似离子束行进方向，在与静电偏转板距离为S的地方，放置离子束位置探测 器；

4)确定在静电偏转板上未施加任何电压，均匀电场不存在的情况下，通过分析磁铁后 经过静电偏转板，疑似离子束到达离子束位置探测器的位置，以此位置作为原点O， 并测量该处离子束强度I_s；

5)在静电偏转板上施加电压U后，产生均匀电场E的情况下，通过分析磁铁后经过静 电偏转板，疑似离子束所到达离子束位置探测器的位置，设定此点为X点，并测量 该点处离子束强度I_t；

6)测量O点与X点间的距离，即疑似离子束的偏转距离d；

7)由实验所需离子束的相关参量计算其通过分析磁铁后经过静电偏转板(静电偏转板 上施加有产生均匀电场E的静电高压U)，达到离子束位置探测器的位置偏离O点的 距离，得到实验所需离子束的偏转距离计算值d₀；

8)如果偏转距离d在实验所需离子束的偏转距离计算值d₀的误差允许的范围内，则判 定X点处的离子束为实验所需离子束；

9)将在X点测量到的离子束强度I_t与在O点测量到的离子束强度I_s做比较，则可得实 验所需离子束在疑似离子束中所占的比例。

其中，在步骤1)中，由实验所需离子束经加速器加速后获得的已知能量W，根据公式 可以计算实验所需离子束的速度V₀。

在步骤7)中，由实验所需离子束的相关参量计算其达到离子束位置探测器时的位置偏 离O点的距离，得到实验所需离子束的偏转距离计算值d₀，包括以下步骤：

a)设定实验所需离子束能顺利通过分析磁铁的动量分析从而到达实验靶室的条件为：

$B=\frac{{\mathrm{MV}}_0}{\mathrm{QR}}---\left(2\right)$

其中MV₀和Q分别为实验所需离子束的动量和所带电荷量，B和R分别为分析磁铁的均 匀磁场和分析磁铁的曲率半径；

b)确定离子穿过均匀电场所需要的时间T：

$T=\frac{L}{V_0}---\left(3\right)$

c)确定离子在均匀电场受到电场力的作用得到的加速度a：

$a=\frac{\mathrm{QE}}{M}=\frac{\mathrm{QU}}{\mathrm{MD}}---\left(4\right)$

d)确定离子离开均匀电场因电场力的作用而得到的垂直入射方向的速度：

$V_1=\mathrm{aT}=\frac{\mathrm{QUL}}{{\mathrm{MDV}}_0}---\left(5\right)$

e)确定离子束在与电极板距离为S的地方偏离O点的距离，得到偏转距离计算值d₀：

$d_0=\frac{(S+\frac{L}{2})V_1}{V_0}=\frac{(S+\frac{L}{2})\mathrm{QUL}}{\mathrm{MD}{V_0}^2}---\left(6\right)$

f)将公式(6)和公式(2)结合后可得

$d_0=\frac{(S+\frac{L}{2})\mathrm{UL}}{\mathrm{DBR}{V}_0}---\left(7\right)$

由公式(7)可见，在其他物理量都固定的情况下，离子束的偏转距离只取决于离子入射 均匀电场时的速度，二者之间成反比关系。

在步骤8)中，由实验所需离子的相关已知参量，根据公式(7)计算d₀，并将实际测量 的疑似离子束的偏转距离d与实验所需离子束的偏转距离计算值d₀作比较，如果 d₀-Δd≤d≤d₀+Δd，则甄别疑似离子束为实验所需离子束，其中，Δd为误差允许值，误 差允许值Δd应该不超过束流斑点的大小。

如果在误差允许的范围内，实际测量到的偏转距离d与偏转距离计算值d₀无法吻合，则 说明疑似离子束中根本就不存在实验所需离子束成分，它只是一些满足实验所需离子束顺利 通过分析磁铁动量分析条件的杂散疑似离子束的集合，不可将其输运到离子束实验靶室进行 与离子束相互作用有关的实验研究工作。

如果实验所需离子束是通过静电加速器加速获得的，则公式(7)还可以进一步简化，设 定静电加速器的端电压为U_HV，那么，公式(7)可转换为：

对于单级静电加速器：$d_0=\frac{(S+\frac{L}{2})\mathrm{UL}}{{2\mathrm{DU}}_{\mathrm{HV}}}---\left(8\right)$

对于串列静电加速器：$d_0=\frac{(S+\frac{L}{2})\mathrm{QUL}}{2(Q+1){\mathrm{DU}}_{\mathrm{HV}}}---\left(9\right)$

本发明的另一个目的在于提供一种加速器分析磁铁后疑似离子的甄别装置。

本发明的加速器分析磁铁后疑似离子的甄别装置包括：一对静电偏转板和离子束位置探 测器；在分析磁铁后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称的静电偏转板，疑似离子束 的中心为静电偏转板的对称中心，两个静电偏转板间的距离为2D，其沿疑似离子束行进方向 的有效长度为L，两个静电偏转板上所施加的电压为大小可调的正负对称的恒压，即：一个 静电偏转板加正的高压U，另一个静电偏转板则加负的高压-U，在静电偏转板施加高压U的 情况下，两个静电偏转板间将会产生均匀的电场E，从而在离子束的垂直方向上建 立均匀电场；沿着疑似离子束行进方向，在与静电偏转板距离为S的地方，放置离子束位置 探测器；通过分析磁铁后的疑似离子束经过静电偏转板，到达离子束位置探测器。

离子束位置探测器采用石英屏，或者其他位置灵敏探测器。离子束位置探测器的高度H 满足：其中d_max为疑似离子束到达离子束位置探测器的最大偏转距离。

本发明对经过分析磁铁动量分析后获得的疑似离子束进行真伪鉴别，当离子垂直入射进 入均匀分布的电场时，离子将会受到与离子入射方向垂直的电场力的作用，在该电场力的作 用下，离子沿入射方向以入射速度继续前进的同时，在与入射方向垂直的方向将作加速度保 持固定的匀加速运动，直至离子穿过该均匀电场。此时离子的前进方向将偏离其进入均匀电 场时的入射方向，并以恒定的速度沿该方向前行，其速度的大小将由离子进入均匀电场时的 速度大小和穿过均匀电场后经过电场加速所获得的速度二者决定。离子偏离原入射方向的大 小将取决于以下几个因素：(1)入射离子的速度；(2)均匀电场的大小；(3)离子穿过均匀 电场所用的时间。离子离开均匀电场后以恒定速度沿着与原始行进方向有固定夹角的方向行 进，随着行进距离的增加，离子在垂直原行进方向平面上所处的位置就越远离其本该所在的 原始位置。本发明正是通过对以上各种因素进行综合利用，加以量化分析，从而实现对经过 分析磁铁获得的疑似离子束是否即为实验所需离子束做出判断，以及获知实验所需离子束在 这些疑似离子束中所占的份额为多少。

本发明的优点：

1、实现了对疑似离子束是否为实验所需离子束的简易甄别；

2、对产生疑似离子束的加速器类型没有限制，可以是静电加速器，也可以是回旋加速器 或者其他类型的加速器；

3、对静电加速器产生的疑似离子束，相关甄别计算更为方便；

4、充分利用了加速器系统已安装的分析磁铁，不需再安装额外的分析磁铁装置；

5、如加速器分析磁铁后离子束应用系统装有静电扫描系统，可直接利用静电扫描电极板 作为静电偏转板，不需再额外安装静电偏转板；

6、对疑似离子束的种类和数目没有限制；

7、对疑似离子束的束流稳定性没有要求；

8、对疑似离子束的束流强度没有严格要求，只要该疑似离子束能被所使用的离子束位置 探测器测量到即可；

9、基本原理清晰，甄别结构简单，成本低，应用可靠。

附图说明

图1为本发明的加速器分析磁铁后疑似离子的甄别装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，在本实施例中，加速器分析磁铁后疑似离子的甄别装置包括：一对静电偏 转板2和离子束位置探测器7；在分析磁铁1后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称 的静电偏转板2，疑似离子束的中心为静电偏转板的对称中心，两个静电偏转板间的距离为 2D，其沿疑似离子束行进方向的有效长度为L，两个静电偏转板上所施加的电压为大小可调 的正负对称的恒压，即：一个静电偏转板加正的高压U，另一个静电偏转板则加负的高压-U， 在静电偏转板施加高压U的情况下，两个静电偏转板间将会产生均匀的电场E，从 而在离子束的垂直方向上建立均匀电场；沿着离子束行进方向，在与静电偏转板距离为S的 地方，放置离子束位置探测器；从加速器出来的分析磁铁前离子束3进入分析磁铁1，通过 分析磁铁1后的疑似离子束4，经过静电偏转板2，到达离子束位置探测器7。其中，5是静 电偏转板不加电压时的疑似离子束的轨迹，6是静电偏转板加电压后的疑似离子束的轨迹。

实例一

从串列静电加速器输出的总离子束中选取Si⁷⁺离子为实验所需离子束，加速器的端电压 U_HV为5MV。分析磁铁后Si⁷⁺离子的甄别方法包括以下步骤：

1)根据所给条件可知，串列静电加速器输出的Si⁷⁺离子的能量为40MeV，依此可计算 出Si⁷⁺离子的速度V₀，代入公式(2)计算要将Si⁷⁺离子从分析磁铁前离子束中分离 开来，分析磁铁需要施加的磁场强度B＝7543Gs，调试分析磁铁，在磁场强度为7545Gs 附近作磁场扫描调试，测得当磁场强度为7520Gs时，分析磁铁后获得2nA的疑似离 子束；

2)在分析磁铁后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称金属的静电偏转板，疑似 离子束的中心为静电偏转板的对称中心，两个静电偏转板间的距离2D为4cm，其沿 疑似离子束行进方向的有效长度L为43cm，两个静电偏转板上所施加的电压为大小 可调的正负对称的恒压U为10kV，从而在离子束的垂直方向上建立均匀电场

3)沿着疑似离子束行进方向，在与静电偏转板距离S为5m的地方，放置离子束位置 探测器；

4)确定在静电偏转板上未施加任何电压，均匀电场不存在的情况下，通过分析磁铁后 经过静电偏转板，疑似离子束到达离子束位置探测器的位置，以此位置作为原点O， 并测量此时O点离子束的强度I_s＝1.9nA；

5)在静电偏转板上施加电压U为10kV后(两个静电偏转板上的电压分别为+10kV和 -10kV)，产生均匀电场E的情况下，通过分析磁铁后经过静电偏转板，由放置在与 静电偏转板距离为S的离子束位置探测器确定疑似离子束所到达离子束位置探测器 的位置，设定此点为X点，并测量该点处离子束强度I_t＝1.9nA；

6)测量O点与X点间的距离，即疑似离子束的偏转距离d＝10cm；

7)根据公式(9)以及给出的相关参量计算得到对应Si⁷⁺离子的偏转距离计算值d₀＝ 9.8cm；

8)误差允许值Δd应该不超过束流斑点的大小，在该疑似离子甄别实验中，束流斑点大 小近似为8mm，从而选取Δd＝5mm，比较偏转距离d与实验所需离子束的偏转距离 d₀，在误差允许的范围内，则判定X点处的离子束为实验所需离子束；

9)将在X点测量到的离子束强度I_t与在O点测量到的离子束强度I_s做比较，则可得疑 似离子束中全部为实验所需离子束Si⁷⁺离子。

实例二

从串列静电加速器输出的总离子束中选取Si⁸⁺的离子作为实验所需离子束，加速器的端 电压U_HV为4MV。分析磁铁后Si⁸⁺离子的甄别方法包括以下步骤：

1)根据所给条件可知，串列静电加速器输出的Si⁸⁺离子的能量为36MeV，依此可计算 出Si⁸⁺离子的速度V₀，代入公式(2)计算要将Si⁸⁺离子从分析磁铁前离子束中分离 开来，分析磁铁需要施加的磁场强度B＝6261Gs，调试分析磁铁，在磁场强度为6261Gs 附近作磁场扫描调试，测得当磁场强度为6200Gs时，分析磁铁后获得0.8nA的疑似 离子束；

2)在分析磁铁后加装一对与疑似离子束行进方向平行的对称金属的静电偏转板，疑似 离子束的中心为静电偏转板的对称中心，两个静电偏转板间的距离2D为4cm，其沿 疑似离子束行进方向的有效长度L为43cm，两个静电偏转板上所施加的电压为大小 可调的正负对称的恒压U为10kV，从而在离子束的垂直方向上建立均匀电场

3)沿着疑似离子束行进方向，在与静电偏转板距离S为5m的地方，放置离子束位置 探测器；

4)确定在静电偏转板上未施加任何电压，均匀电场不存在的情况下，通过分析磁铁后 经过静电偏转板，疑似离子束到达离子束位置探测器的位置，以此位置作为原点O， 并测量此时O点离子束的强度I_s＝0.75nA；

5)在静电偏转板上施加电压U为10kV后(两个静电偏转板上的电压分别为+10kV和 -10kV)，产生均匀电场E的情况下，通过分析磁铁后经过静电偏转板，由放置在与 静电偏转板距离为S的离子束位置探测器确定疑似离子束所到达离子束位置探测器 的位置，设定此点为X点，并测量该点处离子束强度I_t＝0.73nA；

6)测量O点与X点间的距离，即疑似离子束的偏转距离d＝17cm；

7)根据公式(9)以及给出的相关参量计算得到对应Si⁸⁺离子的偏转距离计算值d₀＝ 12.3cm；

8)误差允许值Δd应该不超过束流斑点的大小，在该疑似离子甄别实验中，束流斑点大 小近似为7mm，从而选取Δd＝7mm。，比较偏转距离d与实验所需离子束的偏转距离 d₀，不在误差允许的范围内，则判定X点处的离子束不是实验所需离子束，分析磁铁 后的疑似离子束中，几乎不含实验所需离子束Si⁸⁺离子。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。