CN117612928B - 基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，包括高电荷态离子源模块、第一选择模块、加速模块、第二选择模块和探测模块；高电荷态离子源模块用于产生高电荷态离子束流，第一选择模块用于对高电荷态离子束流进行第一级筛选；加速模块用于将高电荷态离子束流加速至预设的目标能量水平并进行速度筛选，第二选择模块用于对高电荷态离子束流进行第二级筛选；探测模块用于对高电荷态离子束流进行粒子鉴别和/或同位素丰度比测量。高电荷态离子源模块产生的高电荷态离子束流没有分子态的干扰，并且能够提供远大于现有技术中铯溅射负离子源的束流强度，提升测量灵敏度，还能对无法产生负离子的部分核素进行分析，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及加速器质谱分析技术领域，尤其涉及一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置。
背景技术
加速器质谱分析是指加速器与质谱分析相结合的一种核分析技术。现代科学技术的许多领域，例如考古学、生物医学、地学和天体物理学等都十分依赖于加速器质谱分析。
传统的加速器质谱仪大多采用铯溅射负离子源和串列加速器。虽然这类加速器质谱仪已经有四五十年的发展历史，但仍存在一定局限性：第一方面，铯溅射负离子源存在分子态干扰，形成仪器本底，制约了部分同位素的探测灵敏度；第二方面，铯溅射负离子源的束流强度较弱，一般不超过100微安，限制了实验测量的事件率；第三方面，采用铯溅射负离子源的加速器质谱仪，由于其采用负离子源，而部分核素(例如惰性气体同位素)不能产生负离子，因此此类加速器质谱仪无法分析此类核素。
发明内容
本发明提供一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，用以解决现有技术中采用铯溅射负离子源的加速器质谱仪存在分子态干扰、束流强度较弱以及无法分析部分不能产生负离子的核素的缺陷，实现彻底拜托分子态干扰、提高束流强度，以及实现对不能产生负离子的核素进行测量。
本发明提供一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，包括：
高电荷态离子源模块、第一选择模块、加速模块、第二选择模块和探测模块；
所述高电荷态离子源模块用于产生高电荷态离子束流；
所述第一选择模块的输入端与所述高电荷态离子源模块的输出端连接，用于根据预设的第一质荷比分辨率限值对所述高电荷态离子束流进行第一级筛选，初步去除杂质离子；
所述加速模块的输入端与所述第一选择模块的输出端连接，用于将第一级筛选后的所述高电荷态离子束流加速至预设的目标能量水平，以及基于预设的速度阈值对所述高电荷态离子束流进行速度筛选；
所述第二选择模块的输入端与所述加速模块的输出端连接，用于根据预设的第二质荷比分辨率限值对达到目标能量水平的所述高电荷态离子束流进行第二级筛选，再次去除杂质离子；
所述探测模块的输入端与所述第二选择模块的输出端连接，用于对经过第二级筛选的所述高电荷态离子束流进行粒子鉴别和/或同位素丰度比测量。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述高电荷态离子源模块为高电荷态电子回旋共振离子源。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述加速模块为直线加速器。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述直线加速器包括预聚束器、第一加速器和第二加速器；
所述预聚束器的输入端与所述第一选择模块的输出端连接，用于提高所述第一加速器的速度选择性；
所述第一加速器的输入端与所述预聚束器的输出端连接，用于将第一级筛选后的所述高电荷态离子束流中的离子加速至预设的中间能量水平，并基于预设的速度阈值对达到中间能量水平的所述高电荷态离子束流中的离子进行速度筛选；
所述第二加速器的输入端与所述第一加速器的输出端连接，输出端与所述第二选择模块的输入端连接，用于将速度筛选后的所述高电荷态离子束流中的离子加速至预设的目标能量水平。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述第一加速器为射频四级场加速器，所述第二加速器为漂移管直线加速器。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述预设的中间能量水平为单核子能百keV量级。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述预设的目标能量水平为单核子能MeV量级。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述第一选择模块和所述第二选择模块均为质荷比选择器。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述第一质荷比分辨率限值为1/100。
根据本发明提供的一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，所述第二质荷比分辨率限值小于2/1000。
本发明提供的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，包括高电荷态离子源模块、第一选择模块、加速模块、第二选择模块和探测模块，高电荷态离子源模块用于产生高电荷态离子束流；第一选择模块的输入端与高电荷态离子源模块的输出端连接，用于根据预设的第一质荷比分辨率限值对高电荷态离子束流进行第一级筛选，初步去除杂质离子；加速模块的输入端与第一选择模块的输出端连接，用于将第一级筛选后的高电荷态离子束流加速至预设的目标能量水平，以及基于预设的速度阈值对高电荷态离子束流进行速度筛选；第二选择模块的输入端与加速模块的输出端连接，用于根据预设的第二质荷比分辨率限值对达到目标能量水平的高电荷态离子束流进行第二级筛选，再次去除杂质离子；探测模块的输入端与第二选择模块的输出端连接，用于对经过第二级筛选的高电荷态离子束流进行粒子鉴别和/或同位素丰度比测量。高电荷态离子源模块产生的高电荷态离子束流没有分子态的干扰，并且能够提供远大于现有技术中铯溅射负离子源的束流强度，因此更好统计，能够提升测量灵敏度，此外，通过采用正离子源，能够对无法产生负离子的部分核素进行分析，适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置的结构示意图。
1：高电荷态离子源模块；2：第一选择模块；3：加速模块；4：第二选择模块；5：探测模块；31：预聚束器；32：第一加速器；33：第二加速器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中采用铯溅射负离子源的加速器质谱仪存在分子态干扰、束流强度较弱以及无法分析部分不能产生负离子的核素的缺陷，本发明提供了一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，下面结合图1描述本发明的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置。
如图1所示，本发明提供的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，包括高电荷态离子源模块1、第一选择模块2、加速模块3、第二选择模块4和探测模块5。
其中，高电荷态离子源模块1用于产生高电荷态离子束流。高电荷态离子是指离子的电荷数较高的物质，其失去了许多电子，因此具有很高的正电荷，高电荷态离子有着广泛的应用领域，包括等离子体物理、材料物理和生命科学等。应当理解的是，在本申请的一种可选的实施例中，高电荷态离子源模块1不仅限于产生高电荷态离子束流，其能够产生多核素多电荷态的离子束流，高电荷态离子束流仅仅是其能够产生的其中一种离子束流。
采用高电荷态离子束流至少具备以下优点：
第一，传统的铯溅射负离子源存在分子态干扰，形成仪器本底，会制约部分同位素的探测灵敏度，需要使用剥离器排除本底的干扰，当分子离子穿过剥离器时，由于库仑力的作用而使得分子离子瓦解，但是剥离过程中会产生的分子碎片离子，同样会造成干扰，制约部分同位素的探测灵敏度。
本申请的高电荷态离子源模块1能够产生高电荷态离子束流，高电荷态离子没有分子态的干扰，因此无需进行剥离，避免了剥离产生的分子碎片的干扰，同时避免了剥离造成的束流强度损失。高电荷态离子源模块1能够实现对气态、液态和固态样品的测量，对于固态样品，可采用激光等离子注入的方式，有效降低记忆效应。依托本发明所提供的加速器质谱分析装置，可以实现飞克(fg)以下锕系元素样品分析，产生41Ca全裸离子，摆脱41K干扰，为41Ca定年提供一种新方法。
第二，传统的铯溅射负离子源所产生的离子束流的梳理强度较弱，一般不超过100微安，限制了实验测量的事件率。
本申请的高电荷态离子源模块1所产生的高电荷态离子束流相较于铯溅射负离子源所产生的离子束流，其束流强度高出1-2个量级，因此对于痕量元素测量的事件率提高1-2个量级。
第三，传统的采用铯溅射负离子源的加速器质谱仪采用的是负离子源，而惰性气体同位素无法产生负离子，因此此类加速器质谱仪无法分析惰性气体同位素，适用范围较小。
本申请的高电荷态离子源模块1由于采用正离子源，因此能够产生惰性气体同位素的束流，实现对惰性气体同位素的分析，适用范围更广。
在本发明的一种可选的实施例中，高电荷态离子源模块1由高电荷态电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)离子源构成。
第一选择模块2的输入端与高电荷态离子源模块1的输出端连接，用于根据预设的第一质荷比分辨率限值对高电荷态离子束流进行第一级筛选，初步去除杂质离子。在本方发明的一种可选的实施例中，第一选择模块2即第一级质荷比(M/q)选择器。第一级M/q选择器的输入端通过束流输运线与高电荷态ECR离子源的输入端连接，用于对高电荷态ECR离子源产生的高电荷态离子束流进行第一级筛选。具体地，在本发明的一种可选的实施例中，第一级筛选的质荷比分辨率(即d(M/q)/(M/q)，其中M为离子的质量数，q为离子的电荷态，M/q即为离子质荷比)为1/100，即如果杂质离子与目标离子的质荷比之差d(M/q)除以目标离子质荷比(M/q)的值大于1/100，则杂质离子被阻止，反之，则杂质离子将通过。通过将第一级筛选的质荷比分辨率设为1/100，能够过滤掉大于该分辨率的杂质离子，实现初步去除杂质离子。
加速模块3的输入端与第一选择模块2的输出端连接，用于将第一级筛选后的高电荷态离子束流加速至预设的目标能量水平，以及基于预设的速度阈值对高电荷态离子束流进行速度筛选。
在本申请的一种可选的实施例中，加速模块3采用直线加速器。
具体地，本申请所采用的直线加速器包括预聚束器31、第一加速器32和第二加速器33。
预聚束器31的输入端与第一选择模块2的输出端连接，用于提高第一加速器32的速度选择性。预聚束器31是第一加速器32的预聚束装置，上接第一选择模块2，下接第一加速器32，其作用是提高第一加速器32的速度选择性。以射频四级场(Radio FrequencyQuadrupole，RFQ)加速器作为第一加速器32举例，预聚束器31在RFQ加速器的上游，离子束流经过预聚束器31的纵向聚束作用后沿着束流前进方向(即图1中的纵向)聚集，形成具有微结构的离子束团，离子束团经过一段距离的漂移进入RFQ加速器。由于束团中离子的速度不同，因此经过一段距离的漂移需要的时间不同。而RFQ加速器只能接收一定时间窗口内的离子，超出该时间窗口的离子将不能被有效加速。因此反推可知，RFQ加速器只能接收一定速度范围内的离子，这就是速度选择性。所以，预聚束器31的存在有助于提高RFQ加速器的速度选择性。
第一加速器32的输入端与预聚束器31的输出端连接，用于将高电荷态离子束流中的离子加速至预设的中间能量水平，并基于预设的速度阈值对高电荷态离子束流中的离子进行速度筛选。
在本发明的一种可选的实施例中，选用RFQ加速器作为第一加速器32，RFQ加速器能够将经过第一选择模块2筛选后高电荷态离子束流中的目标离子加速至预设的中间能量水平，优选的，预设的中间能量水平为单核子能百keV量级。此外RFQ加速器还能够同时作为离子速度选择器，即经过RFQ加速器加速的离子均处于预先设定的能量展宽内，超出该能量展宽的离子将损失。
第二加速器33的输入端与第一加速器32的输出端连接，输出端与第二选择模块4的输入端连接，用于将速度筛选后的高电荷态离子束流中的离子加速至预设的目标能量水平。
在本发明的一种可选的实施例中，选用漂移管直线(Drift Tube Linac，DTL)加速器作为第二加速器33。DTL加速器的输入端与RFQ加速器通过束流输运线连接，输入端与第二选择模块4通过束流输运线连接。DTL加速器能够将高电荷态离子束流中的离子加速至预设的目标能量水平，优选的，预设的目标能量水平为单核子能MeV量级。
通过采用“预聚束器+RFQ加速器+DTL加速器”的小型直线加速器结构，相较于传统的加速器质谱仪所采用的串列加速器或其他高压型加速器，本申请所采用的直线加速器具备强速度选择性，能够提升加速器质谱的灵敏度，此外，本申请所采用的直线加速器可加速的离子能量更高，尤其对于质量比较重的核素，更有利于离子鉴别，压制杂质核素离子的干扰。
第二选择模块4的输入端与加速模块3的输出端连接，用于根据预设的第二质荷比分辨率限值对达到目标能量水平的高电荷态离子束流进行第二级筛选，再次去除杂质离子。
在本发明的一种可选的实施例中，第二选择模块4即第二级质荷比(M/q)选择器。第二级M/q选择器用于对高电荷态离子束流进行第二级筛选。具体地，在本发明的一种可选的实施例中，第二级筛选的质荷比分辨率小于2/1000，即如果杂质离子与目标离子的质荷比之差d(M/q)除以目标离子质荷比(M/q)的值大于等于质荷比分辨率(例如大于等于2/1000)，则杂质离子被阻止，反之，则杂质离子将通过。通过将第二级筛选的质荷比分辨率设为小于2/1000，能够过滤掉大于该分辨率的杂质离子，实现进一步去除杂质离子。
探测模块5的输入端与第二选择模块4的输出端连接，用于对经过第二级筛选的高电荷态离子束流进行粒子鉴别和/或同位素丰度比测量。
综上所述，本发明所提供的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，能够彻底摆脱分子态的干扰，所产生的高电荷态正离子无需剥离，避免了剥离产生的分子碎片的干扰。此外，由于直线加速器具备良好离子速度选择性和加速能量高的优势，能够有效提高测量灵敏度，相比传统的铯溅射负离子源，高电荷态ECR离子源产生的束流强度高了1-2个量级，加之正离子无需剥离，避免了剥离造成的束流强度损失，对于痕量元素测量的事件率提高了1-2个量级；采用高电荷态ECR离子源在部分核素的测量中具有明显的优势，例如惰性元素的测量，41Ca测量等，因此本发明所提供的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置有望成为多学科领域研究和应用的关键仪器。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，包括：高电荷态离子源模块、第一选择模块、加速模块、第二选择模块和探测模块；
所述高电荷态离子源模块用于产生高电荷态离子束流；
所述第一选择模块的输入端与所述高电荷态离子源模块的输出端连接，用于根据预设的第一质荷比分辨率限值对所述高电荷态离子束流进行第一级筛选，初步去除杂质离子；
所述加速模块的输入端与所述第一选择模块的输出端连接，用于将第一级筛选后的所述高电荷态离子束流加速至预设的目标能量水平，以及基于预设的速度阈值对所述高电荷态离子束流进行速度筛选；
所述第二选择模块的输入端与所述加速模块的输出端连接，用于根据预设的第二质荷比分辨率限值对达到目标能量水平的所述高电荷态离子束流进行第二级筛选，再次去除杂质离子；
所述探测模块的输入端与所述第二选择模块的输出端连接，用于对经过第二级筛选的所述高电荷态离子束流进行粒子鉴别和/或同位素丰度比测量；
所述加速模块为直线加速器；
所述直线加速器包括预聚束器、第一加速器和第二加速器；
所述预聚束器的输入端与所述第一选择模块的输出端连接，用于提高所述第一加速器的速度选择性；
所述第一加速器的输入端与所述预聚束器的输出端连接，用于将第一级筛选后的所述高电荷态离子束流中的离子加速至预设的中间能量水平，并基于预设的速度阈值对达到中间能量水平的所述高电荷态离子束流中的离子进行速度筛选；所述第一加速器为射频四级场加速器；
所述第二加速器的输入端与所述第一加速器的输出端连接，输出端与所述第二选择模块的输入端连接，用于将速度筛选后的所述高电荷态离子束流中的离子加速至预设的目标能量水平；所述第二加速器为漂移管直线加速器。
2.根据权利要求1所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述高电荷态离子源模块为高电荷态电子回旋共振离子源。
3.根据权利要求1所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述预设的中间能量水平为单核子能百keV量级。
4.根据权利要求1所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述预设的目标能量水平为单核子能MeV量级。
5.根据权利要求1所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述第一选择模块和所述第二选择模块均为质荷比选择器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述第一质荷比分辨率限值为1/100。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于高电荷态离子源的加速器质谱分析装置，其特征在于，所述第二质荷比分辨率限值小于2/1000。
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