本發(fā)明涉及同位素檢測(cè)，具體涉及一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、氫同位素h-1、d-2、t-3和氦同位素he-3、he-4是核聚變、核材料、核環(huán)境分析的重要核素，發(fā)展與應(yīng)用氫氦同位素在線分析技術(shù)對(duì)上述研究具有重要意義。本發(fā)明是一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素譜在線分析裝置。

2、離子的飛行時(shí)間(t)由下面的公式?jīng)Q定：

3、

4、其中d為飛行距離，m為離子的質(zhì)量，e為離子的能量?？梢钥闯?，離子的質(zhì)量和能量與離子的飛行時(shí)間關(guān)聯(lián)。對(duì)于相同能量的離子而言，不同質(zhì)量核素在相同距離上的飛行時(shí)間不同，由此利用飛行時(shí)間方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同質(zhì)量核素的分辨。但是對(duì)于氫氦同位素中的t-3和he-3，它們的質(zhì)量非常接近，質(zhì)量差異小于十萬(wàn)分之一，因此無(wú)法直接用飛行時(shí)間方法實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氦同位素的分析。同時(shí)3he又是t的衰變產(chǎn)物，有氚的材料中必定含有he-3。因此這是氫氦同位素分析中的難點(diǎn)。本發(fā)明則是發(fā)明了一種基于薄膜能量吸收結(jié)合飛行時(shí)間測(cè)量的分析技術(shù)，利用t-3和he-3穿過薄膜后能量損失不同使得兩者在相同距離上的飛行時(shí)間不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)t-3和he-3進(jìn)行鑒別。同時(shí)，h-1、d-2和he-4由于質(zhì)量不同利用飛行時(shí)間就可進(jìn)行分析，由此就可利用飛行時(shí)間技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氦同位素的分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置及方法，滿足聚變堆研究等領(lǐng)域?qū)浜ね凰氐目焖僭诰€分析需求，本發(fā)明基于薄膜能量吸收和飛行時(shí)間技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新，解決了氫氦同位素在線分析的技術(shù)難題，為核工業(yè)及環(huán)境方面的應(yīng)用提供高質(zhì)量的分析裝置和技術(shù)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，包括腔體、激光器和設(shè)置在腔體內(nèi)的臺(tái)架、引出電極、薄膜、狹縫和探測(cè)器，所述腔體外部聯(lián)結(jié)真空泵使腔體內(nèi)處于真空；所述激光器利用脈沖激光透過設(shè)置在腔體上的入射窗將臺(tái)架上的氫氦同位素電離成氫正離子和氦正離子并將脈沖激光發(fā)射時(shí)間作為飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的起始時(shí)間信號(hào)，通過臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子引出并加速到適當(dāng)能量，氫正離子和氦正離子穿過薄膜，通過狹縫，由探測(cè)器進(jìn)行測(cè)定并給出飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的停止時(shí)間信號(hào)；利用飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)，通過時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，得到飛行時(shí)間譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫和氦同位素含量的在線分析。

4、進(jìn)一步，所述臺(tái)架、引出電極、薄膜、狹縫和探測(cè)器依次沿軸線設(shè)置在腔體內(nèi)。

5、進(jìn)一步，所述入射窗為采用mgf2或硼硅酸鹽材質(zhì)的玻璃，可以增強(qiáng)激光的透射率。

6、進(jìn)一步，所述臺(tái)架電壓為48～50kv，所述引出電極電壓為0v。

7、進(jìn)一步，所述臺(tái)架和引出電極間靠近臺(tái)架設(shè)置柵網(wǎng)形狀的預(yù)引出電極，預(yù)引出電極電壓比臺(tái)架電壓低1kv，通過預(yù)引出電極和引出電極之間的電壓匹配實(shí)現(xiàn)正離子的引出和聚焦。

8、進(jìn)一步，所述氫氦同位素若為氣體，通過石英微孔管流入臺(tái)架。

9、進(jìn)一步，所述臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子加速到能量為48～50kev。

10、進(jìn)一步，所述薄膜為氮化硅薄膜。

11、進(jìn)一步，所述氮化硅薄膜厚度為30nm。

12、進(jìn)一步，所述狹縫為圓形，直徑為4～6mm。

13、進(jìn)一步，所述探測(cè)器與薄膜間的距離為50厘米。

14、進(jìn)一步，所述探測(cè)器為微通道板。

15、進(jìn)一步，采用上述裝置進(jìn)行基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，包括以下步驟：

16、步驟1，將包含氫氦同位素的樣品置于臺(tái)架上；

17、步驟2，利用脈沖激光作用于包含氫氦同位素的樣品并將樣品電離成氫正離子和氦正離子，同時(shí)將脈沖激光發(fā)射時(shí)間作為飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的起始時(shí)間信號(hào)；

18、步驟3，利用臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子引出并加速到適當(dāng)能量；

19、步驟4，利用薄膜作為能量吸收膜，讓氫正離子和氦正離子穿過薄膜；

20、步驟5，為了排除雜散粒子干擾，提高時(shí)間分辨能力，讓氫正離子和氦正離子穿過狹縫；

21、步驟6，由與薄膜相距適當(dāng)距離處的探測(cè)器進(jìn)行測(cè)定并給出飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的停止時(shí)間信號(hào)；

22、步驟7，利用飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)，通過時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，得到飛行時(shí)間譜，通過飛行時(shí)間譜中氫和氦同位素的飛行時(shí)間不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫和氦同位素含量的在線分析。

23、進(jìn)一步，步驟1中，包含氫氦同位素的固體樣品直接置于臺(tái)架上。

24、進(jìn)一步，步驟1中，包含氫氦同位素的氣體樣品通過石英微孔管流入臺(tái)架。

25、進(jìn)一步，步驟1中，所述臺(tái)架電壓為48～50kv。

26、進(jìn)一步，步驟3中，所述引出電極電壓為0v，所述氫正離子和氦正離子加速到能量為48～50kev。

27、進(jìn)一步，步驟4中，所述薄膜為氮化硅薄膜，厚度為30nm。

28、進(jìn)一步，步驟6中，所述探測(cè)器與薄膜間的距離為50厘米。

29、進(jìn)一步，步驟6中，所述探測(cè)器為微通道板。

30、本發(fā)明的有益效果如下：

31、1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：此套檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相較其它氫和氦的分析設(shè)備，本發(fā)明不需要昂貴的磁鐵和復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，僅利用飛行時(shí)間方法即可實(shí)現(xiàn)分析測(cè)量，同時(shí)此方法還具有可實(shí)現(xiàn)固體和氣體樣品分析的優(yōu)勢(shì)。

32、2、測(cè)量快速：本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定，滿足了氣體樣品需要快速在線分析的需求。

33、3、固體樣品原位分析：此種技術(shù)和激光電離技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)固體樣品微區(qū)掃描分析，也就是可實(shí)現(xiàn)不同位置和不同深度分布測(cè)定，可得到樣品中氫氦同位素的位置與深度的分布信息，滿足更廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：包括腔體、激光器和設(shè)置在腔體內(nèi)的臺(tái)架、引出電極、薄膜、狹縫和探測(cè)器，所述腔體外部聯(lián)結(jié)真空泵使腔體內(nèi)處于真空；所述激光器利用脈沖激光透過設(shè)置在腔體上的入射窗將臺(tái)架上的氫氦同位素電離成氫正離子和氦正離子并將脈沖激光發(fā)射時(shí)間作為飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的起始時(shí)間信號(hào)，通過臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子引出并加速到適當(dāng)能量，氫正離子和氦正離子穿過薄膜，通過狹縫，由探測(cè)器進(jìn)行測(cè)定并給出飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的停止時(shí)間信號(hào)；利用飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)，通過時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，得到飛行時(shí)間譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫和氦同位素含量的在線分析。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述臺(tái)架、引出電極、薄膜、狹縫和探測(cè)器依次沿軸線設(shè)置在腔體內(nèi)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述入射窗為采用mgf2或硼硅酸鹽材質(zhì)的玻璃，可以增強(qiáng)激光的透射率。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述臺(tái)架電壓為48～50kv，所述引出電極電壓為0v。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述臺(tái)架和引出電極間靠近臺(tái)架設(shè)置柵網(wǎng)形狀的預(yù)引出電極，預(yù)引出電極電壓比臺(tái)架電壓低1kv，通過預(yù)引出電極和引出電極之間的電壓匹配實(shí)現(xiàn)正離子的引出和聚焦。

6.如權(quán)利要求5所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述氫氦同位素若為氣體，通過石英微孔管流入臺(tái)架。

7.如權(quán)利要求4所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子加速到能量為48～50kev。

8.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述薄膜為氮化硅薄膜。

9.如權(quán)利要求8所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述氮化硅薄膜厚度為30nm。

10.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述狹縫為圓形，直徑為4～6mm。

11.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述探測(cè)器與薄膜間的距離為50厘米。

12.如權(quán)利要求1所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，其特征在于：所述探測(cè)器為微通道板。

13.一種采用權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：包括以下步驟：

14.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟1中，包含氫氦同位素的固體樣品直接置于臺(tái)架上。

15.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟1中，包含氫氦同位素的氣體樣品通過石英微孔管流入臺(tái)架。

16.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟1中，所述臺(tái)架電壓為48～50kv。

17.如權(quán)利要求16所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟3中，所述引出電極電壓為0v，所述氫正離子和氦正離子加速到能量為48～50kev。

18.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟4中，所述薄膜為氮化硅薄膜，厚度為30nm。

19.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟6中，所述探測(cè)器與薄膜間的距離為50厘米。

20.如權(quán)利要求13所述的一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析方法，其特征在于：步驟6中，所述探測(cè)器為微通道板。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及同位素檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于飛行時(shí)間的氫氦同位素在線分析裝置，包括腔體、激光器和設(shè)置在腔體內(nèi)的臺(tái)架、引出電極、薄膜、狹縫和探測(cè)器，所述腔體外部聯(lián)結(jié)真空泵使腔體內(nèi)處于真空；所述激光器利用脈沖激光透過設(shè)置在腔體上的入射窗將臺(tái)架上的氫氦同位素電離成氫正離子和氦正離子并將脈沖激光發(fā)射時(shí)間作為飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的起始時(shí)間信號(hào)，通過臺(tái)架和引出電極間的電場(chǎng)將氫正離子和氦正離子引出并加速到適當(dāng)能量，氫正離子和氦正離子穿過薄膜，通過狹縫，由探測(cè)器進(jìn)行測(cè)定并給出飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)的停止時(shí)間信號(hào)；利用飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)，通過時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，得到飛行時(shí)間譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫和氦同位素含量的在線分析。測(cè)量快速。

技術(shù)研發(fā)人員：何明,趙慶章,張文慧,王釗,高智星,何洪鈺
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)原子能科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10