同位素富集靶装置和同位素富集方法

摘要

本发明的实施例公开了一种同位素富集靶装置和一种同位素富集方法。同位素富集靶装置包括：支架；可转动地安装于支架的主动靶轴；用于驱动主动靶轴旋转的驱动装置；以及收集靶薄膜，所述收集靶薄膜连接于主动靶轴，以在同位素富集时进行了同位素富集的部分卷绕在主动靶轴上。同位素富集方法包括：将收集靶薄膜设置在靶室中；使同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上；以及在同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上持续预定的时间后，移动收集靶薄膜，使未进行同位素富集的收集靶薄膜的部分进入同位素富集位置，以进行同位素富集。根据本发明的实施例，避免同位素在收集靶薄膜内饱和而收集效率下降，保证了收集效率的稳定。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及一种同位素富集靶装置和一种同位素富集方法。

背景技术

惰性气体的放射性同位素是环境研究中重要的示踪剂，例如氩的同位素中³⁹Ar的含量可用于估算地下水或极地冰川的年龄。然而，³⁹Ar在环境中的丰度极低，现有仪器设备灵敏度又受限，很难对其丰度直接进行较精确的测量。对这类痕量同位素，富集后再进行测量是解决这个问题的一个有效手段。通常的做法是：(1)从环境样品中提取和纯化惰性气体；(2)同位素富集；(3)目标同位素的丰度测量。

在同位素富集时，通常采用电磁分离技术将同位素混合物分离开来，并分别富集到收集靶的不同位置上，再根据需要在不同位置提取所需同位素。当目标同位素的待收集原子数较多时，目标同位素原子在收集靶内会出现饱和的情况，这时固定靶上的收集量将不再随着入射同位素原子的增加而持续增加，即固定靶的收集量非常有限。。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种同位素富集靶装置和一种同位素富集方法，由此例如可以增加同位素的收集量。

根据本发明的实施例，提供了一种同位素富集靶装置，该同位素富集靶装置包括：支架；可转动地安装于支架的主动靶轴；用于驱动主动靶轴旋转的驱动装置；以及收集靶薄膜，其中所述收集靶薄膜连接于主动靶轴，以在同位素富集时进行了同位素富集的部分卷绕在主动靶轴上。

根据本发明的实施例，所述的同位素富集靶装置还包括：可转动地安装于支架的从动靶轴，所述从动靶轴与主动靶轴间隔预定的距离，其中收集靶薄膜的未进行同位素富集的部分卷绕在从动靶轴上。

根据本发明的实施例，所述驱动装置包括：电机；第一密封壳体；外磁转子，设置在第一密封壳体的外部并且外磁转子通过电机驱动而旋转；内磁转子，设置在第一密封壳体的内部，内磁转子通过外磁转子的旋转而旋转，并且内磁转子与主动靶轴连接。

根据本发明的实施例，所述外磁转子具有内腔，所述第一密封壳体的至少一部分设置在所述外磁转子的内腔中，并且内磁转子的至少一部分位于所述外磁转子的内腔中并且通过第一密封壳体与所述外磁转子隔离。

根据本发明的实施例，所述的同位素富集靶装置还包括：第一法兰，所述第一密封壳体的一端密封地与第一法兰连接，另一端封闭；

第二法兰，所述支架连接于第二法兰，所述同位素富集靶装置通过第二法兰与靶室连接；以及第二密封壳体，连接在第一法兰和第二法兰之间，第一密封壳体和第二密封壳体分别在第一法兰的相对的两侧，第二密封壳体和支架分别在第二法兰的相对的两侧，其中所述驱动装置还包括：传动轴，设置在第二密封壳体中，内磁转子通过第一法兰的通孔和第二法兰中的通孔由所述传动轴与主动靶轴连接，其中所述第一密封壳体的内腔，所述第一法兰的通孔，第二密封壳体的内腔和第二法兰中的通孔连通，且形成与外部环境隔离的空间。

根据本发明的实施例，所述的同位素富集靶装置还包括：加热装置，所述从动靶轴具有内腔，所述加热装置设置在从动靶轴的内腔中。

根据本发明的实施例，所述的同位素富集靶装置还包括：与驱动装置连接的第一传动齿轮；以及分别与主动靶轴和从动靶轴连接的两个第二传动齿轮，其中该第一传动齿轮与所述两个第二传动齿轮啮合。

根据本发明的实施例，所述支架为矩形框架。

根据本发明的实施例，所述支架为矩形框架，并且矩形框架具有相对的两边，主动靶轴的两端分别连接于矩形框架的所述相对的两边，并且从动靶轴的两端分别连接于矩形框架的所述相对的两边。

根据本发明的实施例，所述主动靶轴与从动靶轴彼此平行。

根据本发明的实施例，提供了一种同位素富集方法，该同位素富集方法包括：将收集靶薄膜设置在靶室中；使同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上；以及在同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上持续预定的时间后，移动收集靶薄膜，使未进行同位素富集的收集靶薄膜的部分进入同位素富集位置，以进行同位素富集。

根据本发明的实施例，通过主动靶轴和从动靶轴的转动使进行了同位素富集的收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分卷绕在主动靶轴上，卷绕在从动靶轴上的未进行同位素富集的收集靶薄膜的部分进入同位素富集位置，以进行同位素富集。

采用根据本发明的实施例的同位素富集靶装置和同位素富集方法，由此例如可以增加同位素的收集量。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的同位素富集靶装置的示意立体图；以及

图2是根据本发明的实施例的同位素富集靶装置的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

下面结合附图1、2描述根据本发明的实施例的同位素富集靶装置和同位素富集方法。

参见图1至2，根据本发明的实施例的同位素富集靶装置100包括：支架10；可转动地安装于支架10的主动靶轴21；用于驱动主动靶轴21旋转的驱动装置30；以及收集靶薄膜，所述收集靶薄膜连接于主动靶轴21，以在同位素富集时进行了同位素富集的部分卷绕在主动靶轴21上。所述支架10可以为矩形框架。例如，所述支架10为矩形框架，并且矩形框架具有相对的两边，主动靶轴21的两端分别连接于矩形框架的所述相对的两边，并且从动靶轴22的两端分别连接于矩形框架的所述相对的两边。所述主动靶轴21与从动靶轴22可以彼此大致平行。

参见图1至2，同位素富集靶装置100还包括：可转动地安装于支架10的从动靶轴22，所述从动靶轴22与主动靶轴21间隔预定的距离，收集靶薄膜的未进行同位素富集的部分卷绕在从动靶轴22上。根据本发明的一个示例性的实施例，收集靶薄膜的远离主动靶轴21的端部可以自由悬垂或通过其它方式使收集靶薄膜张紧，而不需要设置从动靶轴22。

参见图1至2，所述驱动装置30包括：电机；第一密封壳体32；外磁转子33，设置在第一密封壳体32的外部并且外磁转子33通过电机驱动而旋转；内磁转子34，设置在第一密封壳体32的内部，内磁转子34通过外磁转子33的旋转而旋转，并且内磁转子34与主动靶轴21连接。例如，所述外磁转子33具有内腔，所述第一密封壳体32的至少一部分设置在所述外磁转子33的内腔中，并且内磁转子34的至少一部分位于所述外磁转子33的内腔中并且通过第一密封壳体32与所述外磁转子33隔离。

参见图1至2，根据本发明的实施例，同位素富集靶装置100还包括：第一法兰61，所述第一密封壳体32的一端密封地与第一法兰61连接，另一端封闭；第二法兰62，所述支架10通过连接件50连接于第二法兰62，所述同位素富集靶装置100通过第二法兰62与靶室连接；以及第二密封壳体35，连接在第一法兰61和第二法兰62之间，第一密封壳体32和第二密封壳体35分别在第一法兰61的相对的两侧，第二密封壳体35和支架10分别在第二法兰62的相对的两侧。所述驱动装置30还包括：传动轴36，设置在第二密封壳体35中。内磁转子34通过第一法兰61的通孔和第二法兰62中的通孔由所述传动轴36、与传动轴36连接的第一传动齿轮81和与主动靶轴21连接的第二传动齿轮82与主动靶轴21联接并驱动主动靶轴21旋转。所述第一密封壳体32的内腔，所述第一法兰61的通孔，第二密封壳体35的内腔和第二法兰62中的通孔连通，且形成与外部环境隔离的空间。例如，靶室中的物质可能泄露到该空间中，但是不能从该空间泄露到周围环境中。第二法兰62和靶室之间可以使用铜圈密封。内磁转子可以使用软磁材料，避免烘烤阶段磁体退磁。第一法兰61与第一密封壳体32和第二密封壳体35之间可以使用铜圈密封。第二密封壳体35与第二法兰62之间可以使用铜圈密封。电机驱动外磁转子旋转后通过永磁体产生的磁力作用将运动传递到内磁转子上，从而实现动力传递的目的。根据本发明的实施例，主动靶轴21和从动靶轴22之间可通过靶薄膜连接，主动靶轴21通过靶薄膜自身的张力来带动从动轴22的转动，由此确保主动靶轴21和从动靶轴22同步转动。

参见图1至2，根据本发明的实施例，同位素富集靶装置100还包括：加热装置70，所述从动靶轴22具有内腔，所述加热装置70设置在从动靶轴22的内腔中。在同位素富集开始前，将一定长度的收集靶薄膜缠绕在从动靶轴22上，从动靶轴内部放置有诸如加热棒的加热装置，在真空环境下使用加热棒对靶薄膜进行烘烤并维持一段时间，即可除去从动靶轴22及靶膜表面的杂质气体。加热除气完成后断开诸如加热棒的加热装置的电源开关，同位素富集靶装置100恢复到常温状态即可进行接下来的富集工作。

参见图1至2，根据本发明的未示出的一个示例性实施例，同位素富集靶装置100还包括：与驱动装置30连接的第一传动齿轮81；以及分别与主动靶轴21和从动靶轴22连接的两个第二传动齿轮82(图中仅仅示出了采用一个第二传动齿轮82的实施例，而本实施例中主动靶轴21和从动靶轴22分别与两个第二传动齿轮82连接)。该第一传动齿轮81与所述两个第二传动齿轮82啮合。由此确保主动靶轴21和从动靶轴22同步转动。

根据本发明的实施例的同位素富集方法包括：将收集靶薄膜设置在靶室中；使同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上；以及在同位素入射到收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分上持续预定的时间后，移动收集靶薄膜，使未进行同位素富集的收集靶薄膜的部分进入同位素富集位置，以进行同位素富集。

根据本发明的示例，通过主动靶轴21和从动靶轴22的转动使进行了同位素富集的收集靶薄膜的在同位素富集位置的部分卷绕在主动靶轴21上，卷绕在从动靶轴22上的未进行同位素富集的收集靶薄膜的部分进入同位素富集位置，以进行同位素富集。

根据本发明的实施例，可根据待收集同位素的数量，通过旋转主动靶轴21，灵活增加收集靶薄膜的长度，也即是增加了收集靶薄膜的收集面积，从而可以大大提高同位素原子的收集量，并利用加热装置通过加热烘烤手段去除收集靶内原有杂质气体的污染。

在电磁法分离同位素技术中，不同质量的同位素离子由于荷质比的差异会射入收集靶的不同位置，这样就实现了对同位素的分离。本发明的实施例针对的主要是气体同位素的富集，能够解决同位素在收集靶饱和以及降低收集靶内杂质气体影响等功能，且理论上同位素的富集量不受限，满足了对丰度极低的痕量气体同位素富集后再进行丰度测量的需要。

根据本发明的实施例，通过主动靶轴21和从动靶轴22的旋转控制收集靶薄膜移动。

开始收集前，将一定长度的收集靶薄膜缠绕在从动靶轴上，另一端缠绕在主动靶轴上。通过诸如铝膜的收集靶薄膜的自身张力，主动靶轴转动时将带动从动靶轴同时转动。旋转靶轴使用支架固定，以保证旋转靶的稳定性。

入射同位素由于荷质比的差异，将沿着主动靶轴21和从动靶轴22的轴向方向依次分开。不同质量的同位素将会入射到收集靶薄膜的不同位置并沉积到靶膜内。收集靶膜的位置和宽度分别由待收集同位素的束流入射位置和束斑大小决定。

通过控制电机的旋转来控制同位素收集靶薄膜的面积。当需要连续进行多次收集时，只需控制电机旋转并标记不同收集过程所对应的收集位置，完成收集后将电机反向旋转即可取出不同位置所对应的同位素。

根据本发明的实施例，依靠主动靶轴21和从动靶轴22的旋转来调整收集靶面积，并能够在不破坏真空的情况下连续完成多次同位素富集实验。此外，使用磁耦合传动，变动密封为静密封，内磁转子使用软磁体，使其能应用于超高真空并满足实验前期的烘烤。再者，使用加热装置去除收集靶膜内的杂质气体，将杂质气体的影响最小化。

本发明的实施例的同位素富集靶装置100和同位素富集靶方法可以用于电磁法分离同位素技术中气体同位素的富集，并将在稀有气体氩的痕量同位素富集实验中使用，满足对目标同位素富集后再进行精确丰度测量的需要。

根据本发明的实施例，使用两个同步旋转的主动靶轴21和从动靶轴22控制收集靶薄膜在竖直方向移动，可根据需要来控制收集靶的面积，避免待收集的目标同位素由于在收集靶薄膜内饱而造成的收集效率下降，保证了收集效率的稳定，且能够在不破坏真空的情况下实现连续、多次的收集操作。根据本发明的实施例，通过同位素富集靶装置的固定及密封、杂质气体去除、主动靶轴21和从动靶轴22的旋转控制收集靶薄移动，实现同位素富集。根据本发明的实施例的同位素富集靶装置和同位素富集方法，操作方便、收集量几乎不受限制、杂质气体影响小。

采用根据本发明的实施例的同位素富集靶装置100和同位素富集靶方法，同位素的收集量几乎不受限制，并且在不破坏真空的情况下能够连续进行多次实验，只要通过旋转主动靶轴21和从动靶轴22将不同实验的同位素收集在不同的位置。

采用根据本发明的实施例的同位素富集靶装置100和同位素富集靶方法，能够连续进行多次实验，减少了反复破坏真空并进行烘烤这些实验准备阶段，大大提高了工作效率及实验的稳定性。因此可以将已知含量同位素的结果收集在靶薄膜的某一个位置，用于对未知实验结果的校准。