一种加速器质谱装置及加速器质谱14C测量方法

摘要

本发明提供了一种基于低能散RFQ加速器的加速器质谱装置及相应的加速器质谱14C测量方法，属于加速器质谱技术领域。该加速器质谱装置包括：离子源、聚束器、RFQ加速器、电子剥离器、高能分析系统以及探测器，上述部件按顺序联接，RFQ加速器分别将14C、12C、13C离子加速到一定能量以进行电子剥离，可消除分子离子干扰。本发明用低能散的RFQ加速结构作为14C测量加速器质谱(AMS)系统中的离子加速装置，通过交替改变馈入RFQ加速器的射频功率实现14C、12C、13C三种离子的交替加速。不需要传统AMS中的钢筒、绝缘气体、交替注入系统等，整体结构简化。

说明书

技术领域

本发明属于加速器质谱技术领域，具体涉及一种基于低能散RFQ加速器的加速器质谱装置及加速器质谱¹⁴C测量方法。

背景技术

加速器质谱(AMS)作为一项具有超高灵敏度的分析技术已广泛应用于地球科学、考古学、生命科学、环境科学、天体物理学和材料科学等领域。AMS装置主要测量¹⁴C等放射性核素与其稳定同位素的比值，从而进行测年或示踪等研究，它利用加速器将待测核素离子加速到较高能量，可以有效地抑制分子离子和同量异位素干扰，达到超高灵敏度。AMS性能主要为测量精度、灵敏度和测量效率。

一般AMS装置包括离子源、注入系统、加速器、高能分析系统和离子探测器。加速器普遍采用串列静电加速器和串列高频高压加速器。这两类加速器均用高压电极与地电位之间产生的高压电场加速离子，高压电极和加速管需要放在钢筒中，钢筒中充有高压SF₆气体进行绝缘，显然使用SF₆气体不利于环境保护。为保证绝缘效果，还需要气体循环干燥处理等较为复杂的装置。为保证测量精度需将不同同位素离子都通过加速器进行加速，但这类加速器束载能力较低，需要一套比较复杂的交替注入系统，以使具有较高流强的稳定同位素只在短时间内注入加速器。亦有人采用同时注入的方法，但其注入系统更为复杂，需先将不同同位素离子分开，对具有较高流强的稳定同位素离子束流进行衰减，然后再将不同同位素离子汇合起来注入到加速器中。这种同时注入方法的测量本底较高，相应的高能分析系统也比较复杂。

最近出现了一种Single Stage AMS(SSAMS)装置，这种装置采用300kV单级静电加速管，不需要钢筒，但有部分装置不可避免地要处于高电位上，运行操作不便，有一定的局限性，且由于能量太低而使测量灵敏度受到一定影响。

还有一种小型回旋加速器也被用于AMS，基于这种加速器的AMS由于传输效率的制约，使测量精度和测量效率都偏低。

发明内容

本发明克服了上述各种加速器质谱装置存在的问题，提供一种基于低能散RFQ加速器的加速器质谱装置及加速器质谱¹⁴C测量方法，可提高测量效率。

本发明的技术内容：一种加速器质谱装置，包括：离子源、聚束器、射频四极场(RFQ)加速器、电子剥离器、高能分析系统以及探测器，上述部件按顺序联接，RFQ加速器分别将¹⁴C、¹²C、¹³C离子加速到一定能量以进行电子剥离，可消除分子离子干扰。

在聚束器和RFQ加速器之间设置聚焦透镜，离子源引出的连续束流分别被纵向聚束和横向聚焦后注入到RFQ加速器中。

RFQ加速器之后连接一电子剥离器，该电子剥离器处于地电位和开放空间位置。

在RFQ加速器和电子剥离器之间可设置聚焦透镜。

高能分析系统包括一个分析磁铁，分析磁铁后有稳定同位素测量用法拉第杯用于测量¹²C、¹³C。

高能分析系统还可包括一个静电分析器或交叉场分析器。

本加速器质谱装置还需包括控制系统，通过计算机控制整个装置的运行，实现不同同位素离子的交替加速，以及进行数据处理。

本加速器质谱装置相应的加速器质谱¹⁴C测量方法是：

1)离子源引出的连续束流被聚束成脉冲束流注入到RFQ加速器中；

2)通过交替改变馈入RFQ加速器的射频功率，实现¹⁴C、¹²C、¹³C三种离子的交替加速；

3)经电子剥离后，¹⁴C、¹²C、¹³C正离子分别由高能分析系统中的法拉第杯和探测器进行测量。

本发明的技术效果：本发明是射频四极场(RFQ)加速器应用于AMS领域的技术，具有以下优点：

1)不再需绝缘气体SF₆，从而省去高压容器及气体循环干燥处理等一系列装置，简便且有利于环境保护；

2)在保证测量精度和效率的前提下，不再需要复杂的快交替注入系统或同时注入系统；

3)电子剥离器处在地电位，维护操作方便且可尝试多种剥离技术；

4)高能分析系统简单；

5)整体结构体积小巧，操作简便。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1RFQ加速器的电极结构示意图；

a)电极的横截面图；

b)电极的纵向剖面图；

图2本发明基于RFQ加速器的加速器质谱装置的结构示意图。

1-离子源；2-聚束器；3-单透镜；4-RFQ加速器；5-电子剥离器；6-分析磁铁；7-法拉第杯；8-静电分析器；9-固体探测器。

具体实施方式

与其他AMS系统的主要区别是本发明采用了RFQ加速器。RFQ加速器具有束流传输效率高，体积小巧等特点，但其输出束流的能散较大，一般在1％左右。根据AMS技术的要求，RFQ加速器出口处的¹⁴C束流能散最好小于0.5％。本发明采用外聚束RFQ加速器，通过在RFQ加速器前端加聚束器进行脉冲束流注入，同时在RFQ加速电极的设计中采用增大加速段同步相位和减小加速段电极调制系数m(参见图1)等措施，可以实现RFQ加速器输出束流的低能散特性。这样即可使能散得到显著的改善，同时也使RFQ尺寸减小，功耗降低。另外，RFQ加速器本身即可作为一级分析器，可有效分离¹⁴C、¹²C、¹³C三种同位素离子，不再需要注入预分析磁铁以及快交替系统或同时注入系统，使AMS注入系统大大简化，可只包含一个聚束器和一个单透镜。

在AMS装置中使用RFQ加速器所带来的一个好处是，其后连接的电子剥离器处于地电位和开放空间中，而不像一般AMS系统的剥离器在高压电极内的高电位上，从而维护操作方便且可尝试多种剥离技术。

在AMS装置中使用RFQ加速器所带来的另一个好处是，尽管采用同时注入方法，由于其12C、13C干扰本底较低，高能分析系统可以比较简单，例如只包括一个分析磁铁和一个静电分析器。为保证同位素比值测量的精度，不同同位素离子都要通过高能分析系统中的分析磁铁。分析磁铁后有稳定同位素测量用法拉第杯用于测量¹²C、¹³C，而¹⁴C则用探测器测量。

本发明的特殊测量方法为直接利用RFQ加速器对不同荷质比的离子具有很强的传输选择性，实现不同同位素比值的测量。一般AMS系统通过快交替注入实现¹⁴C、¹²C、¹³C三种同位素离子的比值测量，即交替改变注入磁铁真空盒上的高压，使不同质量的同位素具有不同的能量从而可以顺序注入串列加速器。而RFQ加速器对于¹⁴C、¹²C、¹³C三种离子的传输有很强的选择性，根据RFQ加速器对¹⁴C、¹²C、¹³C三种离子的选择性，分别采用不同的射频电磁场功率来加速其中一种离子，在这一功率下，其他两种离子基本得不到加速，从而被分离，即在相同加速器参数下，只有一种粒子可得到所需能量，另外两种粒子不仅所得能量低，而且传输效率差。因此，本发明通过交替改变馈入RFQ加速器的射频功率，来交替加速¹⁴C、¹²C、¹³C三种离子，以使其达到相同的能量，经电子剥离、分析磁铁分析后分别加以测量。

离子源、高能分析系统和探测器均可采用美国NEC公司的基于串列加速器的小型化AMS系统相似的设计，离子源采用多靶位溅射负离子源，高能分析系统由一个分析磁铁和一个静电分析器组成，探测器采用金硅面垒固体探测器。

图2所示为具体实施本发明的一个例子，下面对该实施例的各主要部件做具体说明：

1、离子源

离子源1可选用AMS系统常用的多靶位铯溅射负离子源，其作用为将石墨样品转化为具有一定能量的带电离子束。采用负离子可消除¹⁴N的同量异位素干扰。

2、聚束器

在聚束器2和RFQ加速器之间设有聚焦透镜3。从离子源引出的连续束进行纵向聚束和横向聚焦并注入到RFQ加速器，¹⁴C、¹²C、¹³C三种离子同时注入。

1)聚束器：聚束器可采用双漂移谐波聚束器，离子源引出的直流束经此聚束器成为脉冲束之后再进入RFQ加速器，可以有效缩短RFQ加速器的长度和降低输出束流的能散。

2)单透镜：可选择通用型单透镜，其作用是使束流横向聚焦，与RFQ加速器入口处进行匹配。

3、RFQ加速器

RFQ加速器4采用微翼型结构，可分别将¹⁴C、¹²C、¹³C离子加速到一定能量以进行剥离，消除分子离子干扰。

1)加速能量：通过对不同能量下气体剥离效率和加速器后分析系统要求的综合分析，加速能量可选择0.4MV。

2)极间电压：综合考虑能耗和特征半径，极间电压选50kV。

3)工作频率：综合考虑聚焦和加速长度，工作频率选108MHz。

4)能    散：通过束流动力学优化设计，能散可减小至0.6％。

5)传输效率：对选定的离子，模拟计算给出的传输效率可达100％。

4、电子剥离器

电子剥离器5在紧接RFQ加速器之后，可以是一套循环剥离系统，即剥离气体可通过一个分子泵循环使用，从而使加速器中和束线中的真空保持在尽可能高的状态。负离子通过剥离器后被剥离成正离子，分子离子如¹³CH⁺不稳定，发生离解，其碎片质量与¹⁴C不同，在以后的分析器中的轨迹也不相同，从而被分离。RFQ加速器与电子剥离器之间有一个聚焦透镜，可对RFQ加速器出口束流进行横向聚焦。

5、高能分析系统

高能分析系统可包括一个分析磁铁6和一个静电分析器8，束流光路设计应使其结构紧凑，不包含任何额外聚焦元件。分析磁铁后有稳定同位素测量用法拉第杯7用于测量¹²C、¹³C。高能分析系统可有效抑制各种干扰离子，保证探测器只对¹⁴C离子进行计数。

6、探测器

在高能分析系统的静电分析器之后，用固体探测器9对¹⁴C进行计数。

7、控制系统

通过计算机控制整个装置的运行，实现不同同位素离子的交替加速，以及进行数据处理，计算¹⁴C/¹²C与¹⁴C/¹³C比值。