用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统与流程

本发明涉及混合高能粒子束中粒子分离，具体涉及用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统。

背景技术：

1、含有正、负离子与中性粒子的混合高能粒子束的各成分通常采用磁场或电场进行分离。第一，磁场分离方法主要采用一个电磁铁产生的磁场对带电离子进行偏转，对于不同能量的入射粒子则通过控制电磁铁中的电流来改变磁场，从而调节粒子轨迹与出射位置；其优点是在整个过程中磁场不改变带电粒子的速度大小；但粒子出射方向无法与入射方向保持平行，并且想要精准控制电磁铁中的电流以获得理想的偏转磁场是一件繁琐的事情。第二，电场分离方法是用面电极产生的静电场来实现对带电离子的偏转，有平行金属板电极和弯曲金属板电极。其中(单组)平行板电极加工难度低，供电方式简单，但粒子出射的大小和方向相比入射时均发生了显著变化，这对于要求粒子出射速度大小与方向不变的场合来说是不适用的。相较于平行板电极，弯曲电极则可以很好地控制粒子的出射方向，使之沿设计的轨迹运动；但粒子的出射大小依旧发生了较大变化，并且对于不同能量的带电离子入射时，想要控制轨迹的一致性是一件困难的事情。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，该方法采用三组平行板电极的组合结构，可有效分离各组分粒子并保证出射速度(大小和方向)与入射时保持一致，以解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，该方法是基于三组平行板电极进行混合高能粒子束中粒子分离；该方法包括：

4、将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；

5、控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。

6、本发明分离方法采用三组相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正负离子及中性粒子)进行分离；具体地，采用三组带电平行板电极结构对混合高能粒子束进行有效分离并保持出射速度(大小和方向)与入射时平行；先正向、再反向偏转的模式可使三种粒子出射能量与入射能量保持一致以满足标定需求；采用线性电压供给方式可使不同能量的粒子通过分离器时遵循相同的轨迹而无须调节平行板几何参数。本发明可分离粒子能量范围宽(0.5-200kev)、保证出射速度与入射时一致等优点，解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。

7、进一步地，三组平行板电极的几何参数均相同，几何参数包括板长(l)和板间距(d)等，而板间距可根据混合高能粒子束的种类进行预先设定；

8、三组平行板电极的具体相对位置(如水平距离和垂直距离)与离子种类有关，具体相对位置是根据正离子、负离子属性通过计算后设定。

9、进一步地，三组平行板电极采用同一可调高压电源进行并联供电，三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同。

10、进一步地，对于混合高能粒子束中某一带电粒子成分而言，混合高能粒子束中不同能量的带电粒子通过前级电极、后级电极时，只需要通过调节板间电压与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化即可保证粒子所经历的轨迹是相同的，而无需调节三组平行板电极的几何参数。

11、进一步地，板间电压的计算公式为：

12、

13、式中，u、l、d分别表示平行板电极的板间电压、板长和板间距；e为离子的能量；q为离子的电荷量。

14、进一步地，反向偏转指的是正离子束、负离子束经过后级电极时的偏转方向与前级电极相反。

15、进一步地，该方法适应于要求粒子出射速度已知的粒子能量标定平台。

16、第二方面，本发明又提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，该装置包括：

17、电极布置单元，用于将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；

18、控制分离单元，用于控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。

19、第三方面，本发明又提供了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，该系统包括用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置、电压控制器、一个可调高压电源和三组平行板电极；

20、电压控制器，用于控制调节各组平行板电极的板间电压以使其与粒子能量呈线性关系(即板间电压与粒子入射能量呈正比例)变化；

21、可调高压电源，用于为三组平行板电极进行并联供电，且三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同；

22、用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，用于基于布置好的三组平行板电极，通过电压控制器调节板间电压控制入射进来的高能混合粒子束中的各粒子进行分离，并保持各粒子出射速度(大小和方向)与入射时相同，即各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。

23、进一步地，该系统还包括机械结构，机械结构用于调节各组平行板电极的板间距离。

24、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

25、本发明用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，采用三组相同的平行板电极结构、利用板间电场对多种高能量混合粒子束(正负离子及中性粒子)进行分离；本发明可将高能混合粒子束中的正离子、负离子与中性粒子进行有效分离并保持出射速度(大小和方向)与入射时相同；采用线性电压供给方式可使不同能量的粒子通过分离器时遵循相同的轨迹而无须调节平行板几何参数；且硬件系统容易加工、成本低，可分离粒子能量范围宽(0.5-200kev)、保证出射速度与入射时一致等优点，解决粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。

技术特征：

1.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，该方法是基于三组平行板电极进行混合高能粒子束中粒子分离；该方法包括：

2.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，三组平行板电极的几何参数均相同，所述几何参数包括板长和板间距，所述板间距根据混合高能粒子束的种类进行预先设定；

3.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，三组平行板电极采用同一可调高压电源进行并联供电，三组平行板电极所夹电压大小相同、电场强度大小相同。

4.根据权利要求3所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，混合高能粒子束中不同能量的带电粒子通过所述前级电极、后级电极时，仅通过调节板间电压与粒子能量呈线性关系变化即可保证粒子所经历的轨迹是相同的，而无需调节三组平行板电极的几何参数。

5.根据权利要求4所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，所述板间电压的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，所述反向偏转指的是正离子束、负离子束经过所述后级电极时的偏转方向与所述前级电极相反。

7.根据权利要求1所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法，其特征在于，该方法适应于要求粒子出射速度已知的粒子能量标定平台。

8.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置，其特征在于，该装置包括：

9.用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，其特征在于，该系统包括如权利要求8所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离装置、电压控制器、一个可调高压电源和三组平行板电极；

10.根据权利要求9所述的用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离系统，其特征在于，该系统还包括机械结构，所述机械结构用于调节各组平行板电极的板间距离。

技术总结本发明公开了用于混合高能粒子束的平行板电极组离子分离方法及系统，包括：将其中一组平行板电极作为前级电极，将另外两组平行板电极平行放置且作为后级电极；后级电极与前级电极保持平行，后级电极中的两组平行板电极的电场方向与前级电极相反；控制多种混合高能粒子束入射至前级电极，带不同电荷的粒子沿不同方向偏转而发生分离；控制通过前级电极偏转加速并出射后的正离子束、负离子束沿不同方向分别再进入后级电极进行反向偏转减速；通过前级电极出射后的中性粒子继续沿直线前进直至从后级电极出射；最终各种粒子以入射速度均沿平行于三组平行板电极的方向出射。本发明解决了粒子能量标定平台上需要同时满足粒子分离和速度不变性的问题。技术研发人员：何小斐,耿少飞,于利明,陈伟,颜筱宇受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/29