一种同位素谱线扫描装置及方法

一种同位素谱线扫描装置及方法专利01专利背景附图说明发明内容技术领域目录03020405权利要求荣誉表彰实施方式目录0706基本信息《一种同位素谱线扫描装置及方法》是中国原子能科学研究院于2016年10月18日申请的专利，该专利的公布号为CNA，授权公布日为2017年3月29日，发明人是任秀艳、曾自强、李公亮、张慧。《一种同位素谱线扫描装置及方法》属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素谱线扫描装置及方法。其中扫描装置设置在同位素电磁分离器的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头，探头能够探测同位素电磁分离器分离后离子束的电流信号，探头设置在探头板上，探头板设置在同位素电磁分离器中的接收器上，还包括设置在接收器上的能够使探头板做三维移动的机械传动机构，还包括与探头相连的电子线路，以及同电子线路相连的数据处理系统，数据处理系统能够采集、显示、记录探头的空间位置信号和离子束的电流信号。采用该发明提供的同位素谱线扫描装置及方法，能够对离子束的聚焦平面上的束流密度的横向分布进行准确的测量，为接收器上的就接收口袋提供准确的接受位置信息。2020年7月14日，《一种同位素谱线扫描装置及方法》获得第二十一届中国专利奖优秀奖。（概述图为《一种同位素谱线扫描装置及方法》摘要附图）专利背景专利背景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。在同位素电磁分离器中，离子源通过三电极引出系统引出离子束后，经过磁场偏转，离子束中不同质量的同位素会汇聚在聚焦面的不同空间位置而实现分离，该现象称为色散。色散距离越大，越有利于同位素的分离。谱线扫描仪用于测量离子束在经过分离磁铁后的分离与聚焦状况，并用于寻找最佳的聚焦面，以便同位素电磁分离器中的接收器上的接收口袋能够对准最佳的聚焦面，从而更好的收集分离后的同位素。谱线的测量是关于聚焦平面上离子束内束流密度的横向分布。2016年前，对于强流离子束束流的测量手段有束流变压器（BCT）、直流流强变压器（DCCT）、壁电流探头（WCM）、法拉第筒等方法。除了法拉第筒以外，其他的测量方法是通过束流产生的磁通量来获得束流的大小，可以避免探头与束流的直接接触，在加速器领域都有较多的应用。然而，谱线扫描仪需要测量束流密度的空间分布，在这些探测装置中，只有法拉第筒能够扫描束流获得束流密度的分布。法拉第筒一般是用金属做成杯状或同轴喇叭状，把束流全部阻挡，利用电流表可测到直流束流强度或脉冲束流的平均值。为了降低轫致辐射对测量结果的影响，一般选择原子序数较低的材料如铝、铜等。另外为了减小二次电子对信号的污染，常常加负高压来防止二次电子的逃逸。发明内容专利目的有益效果技术方案发明内容专利目的同位素电磁分离器分离后的同位素的离子束要全部收集起来，就需要对离子束的聚焦平面上的束流密度的横向分布进行测量，以便接收器（接收分离后的同位素的离子束的装置）能够对准最佳的聚焦面。《一种同位素谱线扫描装置及方法》的目的就是提供一种采用法拉第筒测量直流束的束流密度分布的谱线扫描装置，能够测量的束流空间达240毫米×240毫米×240毫米。从而实现接收器在进行接收之前，离子束的位置与接收器上相应的接收口袋位置对准，保证同位素丰度。

技术方案《一种同位素谱线扫描装置及方法》采用的技术方案是一种同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头，所述探头能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，其中所述探头设置在探头板上，所述探头板设置在所述同位素电磁分离器中的接收器的框架上，还包括设置在所述接收器上的能够使所述探头板做三维移动的机械传动机构，还包括与所述探头相连的电子线路，以及同所述电子线路相连的数据处理系统，所述数据处理系统能够采集、显示、记录所述探头的空间位置信号和所述离子束的电流信号。进一步，所述探头不止一个，直线分布在所述探头板上，间距20毫米，所述电子线路与所述探头一一对应。进一步，所述探头所采用的所述法拉第筒的直径为1毫米。进一步，所述机械传动机构能够提供所述探头板的三位移动空间的范围为240毫米×240毫米×240毫米，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴。进一步，所述探头板能够在所述框架上做与所述X轴成43°角的直线移动。有益效果《一种同位素谱线扫描装置及方法》的有益效果在于：1.探头所采用的法拉第筒直径为1毫米，提高了测量的准确性。2.设置多个探头，可以一次测量多组数据，解决了因为离子束的束流不稳定性导致的测量结果的不确定性。3.扫描行程达到240毫米，适用于聚焦面较宽的情况下的测量，即能够测量10％高度的束流密度高斯分布达到150毫米的情况。

附图说明附图说明图1是《一种同位素谱线扫描装置及方法》具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的示意图；图2是该发明具体实施方式中所述同位素谱线扫描装置在接收器上的安装示意图；图3是该发明具体实施方式中设置有所述同位素谱线扫描装置的接收器的剖视图；图4是该发明具体实施方式中所述探头板的前视图；图5是该发明具体实施方式中所述探头板的侧视图；图6是该发明具体实施方式中所述铷元素同位素谱线扫描方法示意图；图7是该发明具体实施方式中所述铷元素同位素的离子束所产生的电流信号示意图；图中：1-扫描探头驱动步进电机，2-皮带轮传动结构，3-探头扫描运动丝杠，4-滑动轴，5-前后运动驱动步进电机，6-前后运动驱动丝杠，7-连接法兰，8-框架，9-传动杆，10-探头板，11-探头，12-固定螺钉，13-真空室壁，14-传动轴。

技术领域技术领域《一种同位素谱线扫描装置及方法》属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素谱线扫描装置及方法。

权利要求权利要求1.一种同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内，包括法拉第筒制成的探头（11），所述探头（11）能够探测所述同位素电磁分离器分离后的离子束的电流信号，其特征是：所述探头（11）设置在探头板（10）上，所述探头板（10）设置在所述同位素电磁分离器中的接收器的框架（8）上，还包括设置在所述接收器上的能够使所述探头板（10）做三维移动的机械传动机构，还包括与所述探头（11）相连的电子线路，以及同所述电子线路相连的数据处理系统，所述数据处理系统能够采集、显示、记录所述探头（11）的空间位置信号和所述离子束的电流信号。2.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头（11）不止一个，直线分布在所述探头板（10）上，间距20毫米，所述电子线路与所述探头（11）一一对应。3.如权利要求2所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头（11）所采用的所述法拉第筒的直径为1毫米。4.如权利要求1所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述机械传动机构能够提供所述探头板（10）的三位移动空间的范围为240毫米×240毫米×240毫米，三维移动空间的三维坐标包括X轴、Y轴、Z轴。5.如权利要求4所述的同位素谱线扫描装置，其特征是：所述探头板（10）能够在所述框架（8）上做与所述X轴成43°角的直线移动。实施方式实施方式《一种同位素谱线扫描装置及方法》提供的同位素谱线扫描装置，设置在同位素电磁分离器中的真空环境内（如图1所示，同位素谱线扫描装置通过连接法兰7设置在同位素电磁分离器上，真空室壁13之内的框架8及其上面安装的其他部件处于真空环境中），包括法拉第筒制成的探头11，探头11能够探测离子束的电流信号，探头11设置在探头板10上，探头板10设置在同位素电磁分离器中的接收器上（如图2、图4、图5所示，探头板10通过固定螺钉12设置在接收器头部的框架8上）。还包括与探头11相连的电子线路，以及同电子线路相连的数据处理系统，数据处理系统能够采集、显示、记录探头11的空间位置信号和探头11探测到的离子束的电流信号。在该发明中，探头11所采用的法拉第筒的直径为1毫米。如图4、图5所示，探头11不止一个（在该实施例中为7个），直线分布在探头板10上，探头之间的间距为20毫米，电子线路与探头11