一種真空弧離子源飛行時間質(zhì)譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于質(zhì)譜儀技術領域，具體涉及一種真空弧離子源飛行時間質(zhì)譜儀， 尤其是一種離子源引出電壓大于40kV的、可檢測含気金屬電極單次脈沖放電后離子成份 的飛行時間質(zhì)譜儀。
【背景技術】
[0002] 脈沖中子管在無損檢測、脈沖中子測井等研究領域中有著廣泛的應用，在核技術 領域中有重要的應用。脈沖中子管的含気金屬電極真空弧離子源在放電過程中既產(chǎn)生気離 子，也產(chǎn)生気分子離子和金屬離子。對產(chǎn)生中子有用的是気離子，而其他離子束流不僅對氣 革己有損傷，而且會降低気氣中子管的耐壓性能。因此気離子束流成份越高，意味著中子管中 離子源的性能越好。為了改善脈沖中子管真空弧離子源性能，必須測量離子源引出的気離 子成份。實驗已經(jīng)證實離子源引出離子具有不均勻性，隨著引出電壓的不同，到達脈沖中子 管祀端的離子束分布不同，導致気離子成份隨引出電壓的變化而不同，因此離子源引出的 気離子成份測量中，盡可能接近脈沖中子管引出電壓，W保證測量的準確性。飛行時間質(zhì)譜 儀是測量離子源輸出気離子束流的成份的優(yōu)選設備。從離子引出方式可分反射式飛行時 間質(zhì)譜儀和直線式飛行時間質(zhì)譜儀。分反射式飛行時間質(zhì)譜儀從離子出口垂直方向引出離 子，并經(jīng)過反射器后使離子達到檢測器。直線式飛行時間質(zhì)譜儀從離子出口水平方向引出 離子，離子W直線方式飛行到達檢測器。
[0003] 由于脈沖中子管中真空弧離子源單次脈沖半寬度通常小于20US，加之放電過程 的電磁干擾很大，用飛行時間質(zhì)譜儀測量脈沖離子成份必須具有快的時間響應、較強的抗 干擾能力、較高的質(zhì)量分辨力和較高的測量精度?，F(xiàn)有飛行時間質(zhì)譜儀在測量脈沖離子 源中的離子成分時都有著各自的缺點，無法有效地用于窄脈沖寬度的單次脈沖真空弧離子 源。
[0004] 2006 年，俄羅斯的V.I.Gushenets等人在"REVIEWOFSCIENTIFIC INSTRUMENTS"雜志的第 77 卷，第 6 期發(fā)表 了題為"Simpleandinexpensive time-of-flightch曰rge-to-m曰ssanalyzerforionbeamsourcecharacterization'， 文章，文中介紹了一種飛行時間質(zhì)譜儀，采用金屬蒸發(fā)真空弧離子源，離子源引出電壓達到 了 30kV，產(chǎn)生頻率可調(diào)的連續(xù)脈沖束，離子源脈沖半寬度達250US左右。本專利申請人 在該飛行時間質(zhì)譜儀進行實驗的結(jié)果證明，由于抗電磁干擾能力和脈沖離子取樣方式的限 巧||，該直線式飛行時間質(zhì)譜儀無法測量脈沖半寬度低于IOOuS的窄脈沖離子束，更不適用 于脈沖寬度較窄的單次脈沖真空弧離子源。
[0005] 2010年5月，陳磊等人在2010年真空放電和電絕緣國際學術會議論文集上發(fā)表了 題為"Plasmacharacteristicsofvacuumarcionsourcebyusingtime-of-flight massspectrometry"的文章，介紹了一種反射式飛行時間譜儀，采用了窄脈沖含氨電極 真空弧離子源，采用了正負雙脈沖推斥和垂直離子引出方式，此類引出方式離子源引出電 壓-1. 2kV。用該譜儀測量了真空弧離子源等離子體中的離子的百分比等參數(shù)，實現(xiàn)了脈沖 半寬度IOyS離子成份測量，但是由于在離子檢測系統(tǒng)中采用微通道板，微通道板對不同 質(zhì)量的離子響應差別很大，所W測量精度不能保證。
[0006] 2006年，賈韋稻等人在質(zhì)譜學報第27卷第H期發(fā)表了題為"高效液相色譜檢測 器-高分辨飛行時間質(zhì)譜儀的研制"，該譜儀也采用正負雙脈沖推斥和垂直離子引出方式， 離子源引出電壓小于IkV。文章介紹了把微通道板設置工作在飽和狀態(tài)，形成單離子峰信 號計數(shù)，W減小不同質(zhì)量的離子響應差別、提高精度。送種方法的前提是離子計數(shù)必須足夠 多，因此只適合脈沖半寬度較寬、且是連續(xù)脈沖的電噴霧分子離子源，不適合半寬度20US W下較窄的單次脈沖真空弧離子源，因為此類離子源離子計數(shù)非常少，無法定量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本實用新型提供了一種真空弧離子源飛行時間質(zhì)譜儀，它采用脈沖真空弧離子 源，離子源引出電壓大于40kV，脈沖半寬度大于6yS，能夠測量含気金屬電極在離子源脈 沖放電中產(chǎn)生的離子種類和離子成份。離子檢測采用法拉第杯，測得的離子譜峰完全響應 不同質(zhì)量離子，克服了其它飛行時間譜儀的局限性。
[0008] 本實用新型的真空弧離子源飛行時間質(zhì)譜儀，其特點是，所述的該真空弧離子源 飛行時間質(zhì)譜儀包括引出電源，隔離變壓器，離子源電源，真空弧離子源，前法蘭，不鎊鋼真 空腔室，高真空規(guī)管，第一限束孔，第二限束孔，第一柵網(wǎng)，離子口，第二柵網(wǎng)，H圓筒聚焦透 鏡，法拉第杯抑制電極，法拉第杯內(nèi)電極，法拉第杯外電極，后法蘭，抑制電源，第一分子泉， 聚焦透鏡電源，第二分子泉，第一真空閥，離子口電源，干泉，低真空規(guī)管，間板閥，第二真 空閥。
[0009] 其連接關系為，引出電源高壓輸出與真空弧離子源陽極連接；離子源電源輸出與 離子真空弧離子源陰極連接；隔離變壓器輸出端與離子源電源連接；前法蘭與不鎊鋼真空 腔室連接；高真空規(guī)管與不鎊鋼真空腔室連接；不鎊鋼真空腔室外殼與地連接；第一限束 孔、第二限束孔設置在不鎊鋼真空腔室內(nèi)，通過螺釘與不鎊鋼真空腔室連接并導通；第一柵 網(wǎng)、第二柵網(wǎng)設置在不鎊鋼真空腔室內(nèi)，通過螺釘與不鎊鋼真空腔室連接并導通；第一柵網(wǎng) 和第二柵網(wǎng)設置不鎊鋼真空腔室內(nèi)，兩者都與地連接，離子口設置在不鎊鋼真空腔室內(nèi)，離 子口由兩組互相絕緣的不鎊鋼絲組成，一組不鎊鋼絲與地連接，另一組不鎊鋼絲與離子口 電源連接；H圓筒聚焦透鏡由第一圓筒、中間圓筒和第H圓筒組成，設置并固定在不鎊鋼真 空腔室內(nèi)，第一圓筒、第H圓筒與地連接，中間圓筒與聚焦透鏡電源連接；法拉第杯離子檢 測器由法拉第杯抑制電極、法拉第杯內(nèi)電極、法拉第杯外電極、和抑制電源組成；法拉第杯 抑制電極制成網(wǎng)狀，固定在不鎊鋼真空腔室內(nèi)，與抑制電源連接；法拉第杯外電極通過螺釘 固定在不鎊鋼真空腔室內(nèi)，與地連接；法拉第杯內(nèi)電極由絕緣材料固定在法拉第杯外電極 內(nèi)壁，法拉第杯內(nèi)電極接收離子束，并通過測量電極與示波器等測量設備連接。第一分子 泉和第二分子泉分別通過一個真空角閥與不鎊鋼真空腔室連接；后法蘭不鎊鋼真空腔室連 接；第一分子泉通過不鎊鋼管道與第二分子泉連接；干泉通過不鎊鋼管道、第一真空閥與 第二分子泉連接，干泉通過不鎊鋼管道與低真空規(guī)管連接，干泉通過第二真空閥、不鎊鋼管 道與不鎊鋼真空腔室連接；間板閥通過連接法蘭與不鎊鋼真空腔室連接。
[0010] 本實用新型的真空弧離子源飛行時間質(zhì)譜儀，尤其是一種可采用脈沖真空弧離子 源、離子源引出電壓大于40kV的飛行時間質(zhì)譜儀。其技術方案是；在一個高真空腔室內(nèi)，設 置了真空弧離子源、離子口、H圓筒聚焦透鏡、法拉第杯等設備。在離子源陽極與陰極之間 加一個高壓脈沖，真空弧放電，在陰極斑附近的原子等被電離，產(chǎn)生等離子體。在引出高壓 的作用下，脈沖離子束被引出。離子口開啟，不同質(zhì)荷比V如勺離子通過離子口并進入距離 為Z無場漂移區(qū)飛行一段時間，通過H圓筒聚焦透鏡聚焦后，離子到達法拉第杯檢測器。不 同離子的飛行時間與其質(zhì)荷比之間的關系由公式（1)表示：
(1)
[001引式中，為飛行時間，偽離子的引出電壓。
[0013] 根據(jù)公式（1)，不同質(zhì)荷比V如勺離子到達法拉第杯檢測器的飛行時間不同， 因此，在示波器上顯示出不同離子的飛行時間譜峰，橫坐標上時間代表離子質(zhì)荷比譜 峰的峰值則代表離子數(shù)。因此可W得到含気金屬電極中離子成分。
[0014] 本實用新型的優(yōu)點是：
[0015] 本實用新型引出電源電壓大于40kV，能用于檢測含気金屬電極在真空弧離子源放 電后輸出的離子成分；既可檢測含気金屬電極單次放電后的離子成份，又可檢測含気金屬 電極連續(xù)脈沖放電后的離子成份。
[0016] 本實用新型采用離子口方式，離子口開啟速度快，可W檢測真空弧離子源輸出脈 沖半寬度6USW上的離子種類和離子成份；
[0017] 本實用新型采用由法拉第杯抑制電極、法拉第杯內(nèi)電極和法拉第杯外電極組成的 法拉第杯離子檢測器，全部收集通過離子口的各種離子，與微通道板離子檢測器相比，大大 提高了離子檢測精度；
[0018] 本實用新型采用雙分子泉抽真空，減少気離子束在傳輸過程中的損失，使真空度