一种离子源束流诊断用发射度仪及发射度探测方法

摘要

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用发射度仪及发射度探测方法，设置在同位素电磁分离器上，同位素电磁分离器包括设置在真空室内、设有引出电极的离子源，离子源从引出电极的引出缝中射出离子束，其中，离子源束流诊断用发射度仪包括设置有探头的运动支撑机构，运动支撑机构能够使探头在真空室内的引出缝附近做往复直线运动，探头能够测量离子束的电流信号；还包括连接探头的扫描电源；还包括控制动支撑机构、扫描电源、处理探头所获得的电流信号的运动控制及数据采集系统。采用本发明的发射度仪及发射度探测方法能够精确测量低能强流弧放电离子源的发射度、测量束流功率达到1.5kW，测量束流张角达到±14.5°。

说明书

技术领域

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种离子源束流诊断用发射度仪及发射度探测方法。

背景技术

电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中射出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。

在这一分离过程中，需要测量同位素电磁分离器中离子束的束流在位置与动量的相空间上的分布。分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。离子源是同位素电磁分离器的关键设备(本发明所针对的是低能强流弧放电离子源，简称“离子源”)，束流的发射度是离子源设计的关键因素之一，对离子源像宽的影响很大，因此需要进行发射度的测量，在运行过程中，有时也需要实时测量发射度。因此，需要一种装置对发射度进行测量。离子源和离子束都处于真空环境中，对于离子束的发射度的测量也在真空环境中进行。

发射度测量有多种方法，常用的有：缝—屏法、孔—荧光屏法、缝—丝法、电压扫描法。缝—丝法又可分为多缝单丝、单缝多丝和单缝单丝等不同形式。

缝—屏法(即“胡椒罐”法)结构简单，但是无法测得束斑内的束流密度，无法考虑束流密度分布对发射度的贡献，束斑的边界也不易准确确定，使x’的误差较大。另外，每一个屏只能进行有限次的测量，而且要取出屏片后才能确定发射度值，效率较低。

由于低能离子对屏有较强的溅射效应，故孔—荧光屏法不适用于低能强流离子束。

缝—丝法可以获得比较准确的电流密度分布，丝杠也可以给出准确的位置，但是每次测量的时间较长。丝缝扫描发射度仪通过丝缝机械运动来测量不同(X,θ)相点下的束流密度，X取决于探头的空间位置，θ取决于丝相对于缝中心的位置。

电压扫描法通过偏转电压的变化来获得不同(X,θ)相点下的束流密度，不同的偏转电压对于不同的θ。

发明内容

经过比较，电压扫描法有扫描时间短、探头结构简单易行的优点，更适用于低能强流离子束的发射度的测量。因此根据电压扫描的方式设计本发明的测量发射度的装置，实现低能强流弧放电离子源的发射度的测量，采用单缝—静电扫描型发射度仪测量直流束的发射度。设计的束流发射度仪能够测量束流功率达1.5kW(30kV，50mA)的束流。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种离子源束流诊断用发射度仪，设置在同位素电磁分离器上，所述同位素电磁分离器包括设置在真空室内、设有引出电极的离子源，所述离子源从所述引出电极的引出缝中射出离子束，其中，所述离子源束流诊断用发射度仪包括设置有探头的运动支撑机构，所述运动支撑机构能够使所述探头在所述真空室内的所述引出缝附近做往复直线运动，所述探头能够测量所述离子束的电流信号；还包括连接所述探头的扫描电源；还包括控制所述动支撑机构、扫描电源、处理所述探头所获得的所述电流信号的运动控制及数据采集系统。

进一步，所述运动支撑机构设置在所述真空室上，包括连接步进电机和螺母的丝杠，还包括与所述螺母相连、一端穿入所述真空室的传动杆、设置在所述真空室内的所述传动杆的一端的探头支架，所述探头安装在所述探头支架上，还包括把所述传动杆设置在所述真空室上的安装法兰，所述传动杆能够在所述步进电机的驱动下带动所述探头做往复直线运动，其中，所述传动杆采用密封的波纹管实现所述运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，所述传动杆在所述真空室中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。

进一步，所述传动杆在所述真空室中的部分以及所述探头支架、探头的耐受功率达到1.5kW，所述耐受功率是指能够耐受的所述离子束的最大功率。

进一步，还包括贯穿电极，所述贯穿电极一端与所述真空室内的所述探头相连，另一端设置在所述真空室之外的非真空环境中，所述贯穿电极采用金属电极与陶瓷材料相结合，能够实现5kV高压的电气贯穿，用于传输所述探头测量到的所述离子束的所述电流信号，所述陶瓷材料用于所述金属电极的绝缘。

进一步，所述探头包括上下平行设置的、用于静电偏转的低电位极板、高电位极板，所述高电位极板设置在所述低电位极板上方；还包括设置在所述低电位极板、高电位极板两端的前缝口和后缝口，所述前缝口靠近所述离子源的所述引出缝；还包括设置在所述后缝口上的法拉第筒；所述离子束能够从所述前缝口进入所述低电位极板、高电位极板之间经过静电偏转后，从所述后缝口进入所述法拉第筒；

所述低电位极板、高电位极板长度为200mm；

所述低电位极板、高电位极板之间的间距为30mm；

所述前缝口、后缝口宽度为0.5mm。

进一步，所述扫描电源设置在所述真空室之外，所述扫描电源通过真空密封插头与所述真空室中的所述探头连接。

进一步，所述扫描电源的扫描电压为±5kV，所述扫描电压的扫描步长为20V。

进一步，所述探头上设有用于传输所述电流信号的信号连线，所述贯穿电极通过所述信号连线与所述探头相连。

更进一步，所述运动控制及数据采集系统设置在所述真空室之外，与所述贯穿电极连接并获得所述电流信号。

为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述离子源束流诊断用发射度仪的发射度探测方法，包括如下步骤：

步骤(S1)，

关闭所述扫描电源；

开启所述运动支撑机构的所述步进电机的电源；

设置所述步进电机的运行速度为5mm/s；

使所述传动杆复位至初始状态；

设定所述探头的当前位置为“0mm”；

设定所述探头的目标位置为“200mm”；

步骤(S2)，

启动所述步进电机，使所述探头从“0mm”位置至“200mm”位置做匀速直线运动扫过所述离子束，得到所述离子束的束流密度分布图像；

控制所述步进电机，使所述探头回到所述“0mm”位置；

根据所述束流密度分布图像得到所述束流密度分布图像中全高宽对应的两个坐标X1、X2，作为所述探头扫描的起始位置X1和终止位置X2；

步骤(S3)，设置所述步进电机的起始位置为X1，设置所述离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位；

步骤(S4)，启动所述步进电机，使所述步进电机从“0mm”位置运行到X1位置；

步骤(S5)，开启所述扫描电源，所述探头开始扫描；扫描完毕，关闭所述扫描电源；

步骤(S6)，控制所述步进电机按照步骤(S3)中所述空间分辨率的单位前进一步；

步骤(S7)，开启所述扫描电源，所述探头开始扫描；扫描完毕，关闭所述扫描电源；

步骤(S8)，重复步骤(S6)、步骤(S7)，直到所述探头移动超过所述X2位置为止。

本发明的有益效果在于：

1.能够精确测量低能强流弧放电离子源的发射度。

2.能够测量束流功率达到1.5kW(30kV，50mA)的离子束。

3.能够测量束流张角达到±14.5°的束流发射度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述发射度仪的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述运动支撑机构的前视图；

图3是本发明具体实施方式中所述运动支撑机构的俯视图；

图4是本发明具体实施方式中所述探头及探头支架的前视图；

图5是本发明具体实施方式中所述探头及探头支架的俯视图；

图6是本发明具体实施方式中所述探头及探头支架的侧视图；

图7是本发明具体实施方式中所述探头的原理示意图；

图8是本发明具体实施方式中所述探头的第一关键尺寸及数值示意图；

图9是本发明具体实施方式中所述探头的第二关键尺寸及数值示意图；

图10是本发明具体实施方式中所述探头的扫描电压输出与低电位电压信号源输出的控制关系示意图；

图11是本发明具体实施方式中所述X’来代替p所获得的发射度测量数据示意图；

图中：1-步进电机，2-螺母，3-丝杠，4-传动杆，5-安装法兰，6-探头，7-真空室壁，8-探头支架，9-真空室，10-离子束，11-低电位极板，12-高电位极板，13-前缝口板，14-前缝口，15-后缝口，16-法拉第筒，17-抑制电极，18-水冷管，19-贯穿电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种离子源束流诊断用发射度仪(简称“发射度仪”),设置在同位素电磁分离器上，同位素电磁分离器包括设置在真空室9内、设有引出电极的离子源，离子源从引出电极的引出缝中射出离子束，其中，离子源束流诊断用发射度仪主要由四大部分构成，包括，探头6、运动支撑机构、扫描电源、运动控制及数据采集系统。其中，运动支撑机构能够使探头6在真空室9内的引出缝附近做往复直线运动，探头6能够测量离子束的电流信号；连接探头6的扫描电源为探头6提供扫描电压；运动控制及数据采集系统用于控制动支撑机构、扫描电源，并处理探头6所获得的电流信号。

关于发射度仪的原理

本发明提供的一种离子源束流诊断用发射度仪主要用于测量同位素电磁分离器中的离子束束流在位置与动量的相空间上的分布(离子束从同位素电磁分离器的Calutron离子源中经引出电极的引出缝射出)，分布的面积为束流的发射度，用以表征束流的品质。因此，需要测量相空间上各点(X_i,p_j)上粒子数密度(用束流密度表征)。然而，X方向上的动量分量不能直接测量，需要转换成可直接测量的物理量：

p＝mv_x＝mv0sinθ公式(1)

其中，p为X方向上的动量，m是离子的质量，V₀是束流总速度，取决于加速电压V_a；

1/2mv₀²＝eV_a公式(2)

其中，e为数学常数；

一般保持不变。可以通过测量sinθ来获得p。在θ较小的情况下，

(dX是x轴方向的空间微分，dZ是z轴方向的空间微分)

此时可用X’来代替p，所获得的发射度测量数据类似于图11所示。

关于探头

发射度的原理主要表现在探头上，即扫描电压值与θ的对应关系。探头由上下平行的低电位极板11和高电位极板12、前缝口14、后缝口15、抑制电极17、法拉第筒16等组成(见图7)。如图7、8所示在每个偏转电压(即扫描电压)下，都唯一对应一个θ，只有入射角度为θ的离子才能通过前缝口14、后缝口15，被法拉第筒16接收。法拉第筒16的接收电流表征入射角为θ的离子数量。低电位极板11、高电位极板12之间的间距为D，低电位极板11、高电位极板12长度为L，低电位极板11、高电位极板12上加载的扫描电压用V表示。

根据通过前缝口14、后缝口15的离子轨迹及公式(2)，得到：

因此，根据公式(4)，可以通过扫描电压来获得所有θ下离子的密度分布，得到的扫描结果如图11所示(图11中，Im为探头测量电流信号)。

探头中还包括设置在后缝口15、法拉第筒16之间的抑制电极17(见图7)，抑制电极17加载抑制电压用于抑制二次电子的逃逸。抑制电压为300V。在存在磁场的情况下，二次电子被磁力线约束，可不需要抑制电极。

本发明中的探头是根据同位素电磁分离器上的Calutron离子源的束流参数来设计。本发明实施例中，同位素电磁分离器用于对铷元素(Rb)进行电磁分离，得到两种同位素(⁸⁵Rb、⁸⁷Rb)，离子束的束流能量为30keV，最大张角达到±14.5度，流强≤100mA。

如图1所示，探头6设置在离子源束流诊断用发射度仪上，离子源束流诊断用发射度仪设置在同位素电磁分离器上。同位素电磁分离器包括设置在真空室9的真空环境中、设有引出电极的离子源，离子源从引出电极的引出缝中射出离子束10。探头6通过探头支架8安装在发射度仪上，连接关系见图4-图6。

如图7所示，探头6包括上下平行设置的、用于静电偏转的低电位极板11、高电位极板12，高电位极板12设置在低电位极板11上方；设置在低电位极板11、高电位极板12两端的前缝口14和后缝口15，前缝口14靠近离子源的引出缝；还包括设置在后缝口15上的法拉第筒16；离子束10能够从前缝口14进入低电位极板11、高电位极板12之间经过静电偏转后，从后缝口15进入法拉第筒16。

探头是发射度仪中最为核心的部件，它的尺寸设计直接关系到发射度仪的测量精度。在探头的设计中，关键的尺寸有：

低电位极板11、高电位极板12之间的间距D；

低电位极板11、高电位极板12长度L；

前缝口14、后缝口15的缝口宽度d；

低电位极板11、高电位极板12加载的最大扫描电压Vmax。

在设计时，根据以下几个条件来确定以上几个参数的值。

S<D/2(S是离子束的抛物线高度)，即通过前缝口14、后缝口15的离子不能打到低电位极板11、高电位极板12上，如图8所示。根据离子轨迹，有如下关系：

$2(-\frac{eE}{m})s=0-v_x^2,s<D/2$

(E是低电位极板11、高电位极板12间的电场强度，等于V/D)

则有

公式(5)必须恒成立。在本实施例中，Calutron离子源的离子束的张角都不超过14.5°。在对铷元素(Rb)进行电磁分离的工艺中，加速电压V_a≈30KVolt。结合公式(1)，可得到扫描电压的最大扫描值：

V≥2V_a>2(14.5°)≈3.76kVolt公式(6)

取V_max＝4kVolt

$L<<R,R=\frac{\sqrt{2{\mathrm{meV}}_a}}{eB}$

(R是离子束在电磁分离器中的偏转半径，B是电磁分离器中磁场强度)

当磁场大小为1000G时，R＝2310mm。取

L<231mm公式(7)

α≤0.1°，α为缝口宽度d引起的误差，如图9所示。

结合公式(7)(8)可知：

d<0.81mm公式(9)

出于加工可行性考虑，取d＝0.5mm，代入公式(8)可知，

L>143mm公式(10)

由公式(4)可知，必须恒成立，

而V<4kVolt，因此必须有则，

D≥0.138L公式(11)

根据公式(6)-(11)，可确定探头的几何尺寸为：

参数 单位(mm) 参数 单位(mm) 参数 单位(mm) L 200 D 30 d 0.5

即本发明所提供的探头中：

低电位极板11、高电位极板12长度为200mm；

低电位极板11、高电位极板12之间的间距为30mm；

前缝口14、后缝口15宽度为0.5mm。

探头支架8采用石墨材料制作,并用去离子水进行冷却，前缝口14设置在前缝口板13上(见图7、8、9)，前缝口板13采用石墨材料制作。

探头6上设有用于传输电流信号的信号连线，设置在法拉第筒16上(附图中未标出)，信号连线连接贯穿电极19，通过贯穿电极19向运动控制及数据采集系统传输探头6测量到的离子束的电流信号；

贯穿电极19一端(位于真空室9内)通过信号连线与真空室9内的探头6相连，另一端设置在真空室9之外的非真空环境中，并连接设置在探头外部的运动控制及数据采集系统(运动控制及数据采集系统位于离子源和离子束10所处的真空环境之外)。贯穿电极19用于向运动控制及数据采集系统发送探头6上的法拉第筒16获得的电流信号。贯穿电极19采用金属电极与陶瓷材料相结合，能够实现5kV高压的电气贯穿，陶瓷材料用于金属电极的绝缘。

探头6的耐受功率达到1.5kW(30kV，50mA)，耐受功率是指能够耐受的离子束的最大功率。

此外，还包括设置在法拉第筒16外围的屏蔽罩。

探头在不测量时，需要远离离子束避免轰击和损耗。在本实施例中，离子源的引出缝距离发射度仪的安装法兰5的法兰口660mm。

关于扫描电源

扫描电源设置在真空室9之外。扫描电源通过真空密封插头与真空室9中的探头6连接。扫描电源的扫描电压为±5kV，扫描电压的扫描步长为20V。扫描电源设置在真空室9外，离子束10无法照射到，避免了离子束10对扫描电源的影响。

探头6的低电位极板11、高电位极板12上加载扫描电压，因为最大扫描电压为4kVolt，由于θ有正负之分，故扫描电源的扫描范围应满足-4kVolt至4kVolt。为确保电源长时间稳定输出，选择扫描电源时，最大输出为5kVolt。即本发明所提供的探头6的扫描电压为5kV。

对于扫描电压，扫描步长是比较关键的参数。从公式(4)可知，步长越小，θ的分辨越好。然而，太小的扫描步长会提高扫描电源的技术难度，甚至难以实现。并且扫描步长越小，扫描时间越长。因此，需要选择适合的扫描步长。

对公式(4)进行微分：

$2\Delta \theta cos2\theta =\frac{L}{2D}\frac{\Delta V}{V_a}$

可写成：

取根据公式(12)

公式(12)必须恒成立的条件，可知

ΔV≤27.5Volt公式(13)

实际选择扫描步长为20V，即探头的扫描电压的扫描步长为20V。

本发明所提供的探头中，低电位极板11、高电位极板12上设有偏压电源线(附图中未标出)，偏压电源线连接设置在探头外部的扫描电源(扫描电源位于离子源和离子束所处的真空环境之外)，用于扫描电源向低电位极板11、高电位极板12加载扫描电压。

扫描电源的输出由低电位电压信号源(0-10V)来控制，控制的对应关系为线性关系(如图10所示，图中output voltage为输出的扫描电压，control signal为低电位电压信号源的控制电压)。在0-2.5V时，扫描电源输出为零(即扫描电压为零)；低电位电压信号源的控制电压大于2.5V时，扫描电源输出有如下关系：

(S是控制电压信号)

其中，低电位电压信号源输出S＝2.5+0.015n，n＝0,1,……499.

关于运动支撑机构

如图1至图3所示，运动支撑机构设置在真空室9上，包括连接步进电机1和螺母2的丝杠3，还包括与螺母2相连、一端穿入真空室9的传动杆4、设置在真空室9内的传动杆4的一端的探头支架8，探头6安装在探头支架8上，还包括把传动杆4设置在真空室9上的安装法兰5，传动杆4能够在步进电机1的驱动下带动探头6做往复直线运动，其中，传动杆4采用密封的波纹管实现运动支撑机构在真空环境与非真空环境之间的运动贯穿，传动杆4在真空室9中的往复直线运动的行程能够达到±105mm。

传动杆4在真空室9中的部分以及探头支架8的耐受功率达到1.5kW(30kV，50mA)，耐受功率是指能够耐受的离子束的最大功率。

安装法兰5的尺寸依据现有的同位素电磁分离器的法兰口尺寸而定，传动杆4的运动范围根据离子源与法兰口的距离和需要扫描的范围而定。在分离器运行时，离子束的张角最大为±14.5°，而离子源出口离发射度仪的探头6的位置有223mm。所以，探头6需要扫描的区域为离子源的引出缝223mm×tan(±14.5°)≈±57.5mm。由此可知，传动杆4的运动范围需要大于115mm。

关于运动控制及数据采集系统

运动控制及数据采集系统设置在真空室9之外(在本实施例中，运动控制及数据采集系统采用PLC模块)，连接运动支撑机构、扫描电源和探头6，其中，运动控制及数据采集系统通过贯穿电极19与探头6上的信号连线连接。

运动控制及数据采集系统用于控制运动支撑机构的运动、控制扫描电源的开启关闭和扫描电压的输出，以及处理探头6所获得的电流信号，记录运动支撑机构的位置信号，显示探测结果。

关于发射度的探测方法

本发明还提供了一种用于上述离子源束流诊断用发射度仪的发射度探测方法，包括如下步骤：

步骤S1，

关闭扫描电源；

开启运动支撑机构的步进电机的电源；

设置步进电机的运行速度为5mm/s；

使传动杆复位至初始状态；

设定探头的当前位置为“0mm”；

设定探头的目标位置为“200mm”；

步骤S2，

启动步进电机，使探头从“0mm”位置至“200mm”位置做匀速直线运动扫过离子束，得到离子束的束流密度分布图像；

控制步进电机，使探头回到“0mm”位置；

根据束流密度分布图像得到束流密度分布图像中全高宽对应的两个坐标X1、X2，作为探头扫描的起始位置X1和终止位置X2；

(以上步骤的目的是为了避免在不必要的空间位置浪费时间和宝贵的同位素资源)

步骤S3，设置步进电机的起始位置为X1，设置离子源束流诊断用发射度仪的空间分辨率的单位(例如5mm)；

步骤S4，启动步进电机，使步进电机从“0mm”位置运行到X1位置；

步骤S5，开启扫描电源，探头开始扫描；扫描完毕，关闭扫描电源；

步骤S6，控制步进电机按照步骤S3中空间分辨率的单位前进一步(例如5mm)；

步骤S7，开启扫描电源，探头开始扫描；扫描完毕，关闭扫描电源；

步骤S8，重复步骤S6、步骤S7，直到探头移动超过X2位置为止。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。