双注入串列加速器质谱计技术领域
本发明属于加速器质谱计结构的改进。
背景技术
加速器质谱学是加速器技术的一个正在迅速发展的应用领域，是
离子束分析的一门新技术。事实表明，加速器质谱计(Accelerator
Mass Spectrometer，简称AMS)技术是分析长寿命放射性核素灵敏度很
高的方法。在上世纪七十年代末，基于加速器质谱学的加速器质谱计问
世时，就提出了两类注入系统结构的运行模式，即交替注入模式和同时
注入模式。
(1).单一交替注入系统 目前在国际上近五十台AMS装置中，绝大
多数采用被称为“能量跳跃磁铁(bouncer magnet)”的交替注入系
统。这种技术最早由K.H.Purser等提出[K.H.Purser et al.，in：
Proc.1st Conf.On Radiocarbon Dating with Accelerators
(1978)165]。后在商品化的AMS装置中也都采用了“能量跳跃”注入
系统，如GIC公司生产的加速器质谱计(Ionex 2500-C型)和美国国
家电气公司(NEC)的加速器质谱计(Pelletron model 9SDH-2型)产
品。应该说交替注入模式分析14C已达到了较高精度，但仍存在一些缺
点，其对离子源(特别是样品表面)状态和加速器的稳定性提出了较高
要求，它们要么变化很快，要么变化较慢，否则都会引起较大的分馏
效应。
(2).单一同时注入系统 而同时注入模式具有一些明显的优点，
特别是不同的同位素离子能同时沿着同一轨迹运动，当离子源或加速器
状态改变时对它们都有同样的影响，从而不会引起同位素比值的明显变
化。第一代同时注入系统[D.E.Lobb，et al.，Nucl.Instr.& Meth.
179(1981)171]于1984年正常运行，但该系统对于因各种质量的离子
在通过磁铁时的不同路径和不同的极面角度而引起的二级效应未予考
虑。第二代同时注入系统的提出[A.E.Litherland，et al.，Nucl.
Instr.& Meth.B52(1990)375；K.H.Purser，et al.，Nucl.
Instr.& Meth.B35(1988)284]，能够满足Brown消色差要求，但存在
的问题是在系统对称面处的焦平面不与中心轨道垂直。焦平面的倾斜
可以归结为众所周知的二级像差效应。Litherland等提出了一个简单
的解决办法，并申请了专利[US patent 5,013,923]。九十年代初，同
时注入系统已成功地应用在高压工程公司(HVEE)生产的model 4130型
AMS装置上[K.H.Purser，et al.，Radiocarbon Vol.34，No.3，1992，
p458]，它能较容易地获得0.2％的14C分析精度和每年分析4000-5000
个的样品量。但是，同时注入模式不可避免的缺点是在测量放射性核
素(14C)的同时，在高能质谱分析段存在很强的稳定同位素(12C，13C)，也
就是存在本底干扰源，从而影响了半衰期比14C更长的放射性核素(如
10Be)的探测灵敏度。所以同时注入模式不适合比14C半衰期更长的放
射性核素的分析。
(3).并接式双注入系统为了满足多核素分析的要求，鉴于同时
注入系统对提高14C分析精度的明显优越性，NEC公司在出售给日本国
家环境研究所的一台5MV的Pelletron Model 15SDH-2型AMS专用装
置上设计了双注入系统[Hiroshi Kume，et al.，Nucl.Instr.& Meth.
B123(1997)31]。其中一条是常规的“能量跳跃”交替注入系统；另一
条是“分离组合”同时注入系统，双注入系统共用一台加速器[US
patent 5534699]。1997年HVEE公司在出售给日本原子能研究所的一
台Tandetron Model 4130型AMS上并接了一条采用“能量跳跃”技术
的交替注入系统，与“重组合器”共同使用一台Tandetron加速器
[T.Aramaki，et al.，Nucl.Instr.& Meth.B172(2000)18]。对于分
析14C要求高的测量精度与分析其它长寿命放射性核素要求低的本底
干扰(高的探测灵敏度)的矛盾，国际上现有的二家AMS生产公司都采用
了并接的双注入系统，采取两种注入模式共享一台串列加速器的方
法。这就使AMS装置的设备庞大，价格更昂贵，除富有国家外，非一般实
验室所能配备。
(4).混接式双注入系统事实上，Lobb等在提出第一代同时注入
系统的最初方案中就包含有交替注入的双注入设想。可是在以后的报
导中，没有再提到这种双注入结构，只提到单一的同时注入系统。分析
其原因是该双注入结构仍有一些技术问题未能解决，把交替注入的光
路元件插入到同时注入系统的光路元件中，这种混接式双注入结构采
用同一光路是很难两全其美，它可以进行分析，但要得到高精度很困
难。
加速器质谱计一般分为五个部分，即：离子源、注入系统、加速
器、高能质谱分析系统和探测器。本发明就是对其中的注入系统的布
局结构进行改进。注入系统实际上是一个电磁系统，它的功能是传输
从离子源射出的离子束，对离子束进行初始质量的选择和能量色散，
把需要测量的同位素离子聚焦后送入加速器。
发明内容
本申请的“双注入串列加速器质谱计”是一种采用串接式双注入
系统的AMS装置，是把两种注入模式的光路元件分离开再实现串接组
合，其目的是在不改变探测核素的种类和精度的前提下，降低AMS装
置的成本，并简化操作。
本发明所设计的双注入串列加速器质谱计仍是由离子源、注入系
统、加速器、高能质谱分析系统和探测器五部分组成，其特点是所述
的注入系统是由双聚焦速度分析器和具有导向作用的二单元静电四极
透镜及质量重组合器三个电磁设备(或称束流光学元件)用密封管道
连接组成。所述的速度分析器放置在离子源出口的浸没透镜之后，质
量重组合器放置在加速器的入口之前，在速度分析器和质量重组合器
之间放置静电四极透镜。静电四极透镜之所以这样放置，是为了增大
速度分析器的质量色散宽度Dm。
本发明所述的速度分析器和静电四极透镜及质量重组合器均可以
采用NEC公司或HVEE公司的产品。所述的三个束流光学元件之间的相
互连接以及他们与离子源出口和与加速器入口之间的连接都是采用管
道法兰真空密封连接，均为已有技术，所以本申请对速度分析器、静
电四极透镜、质量重组合器的结构，及其管道法兰真空密封连接的方
法不再加以阐述。
将本发明技术方案与现有的并接式双注入系统相比，现有的交替
注入系统在光路上采用了一个45°弯曲的静电偏转板，放置在离子源出
口的浸没透镜后；当静电偏转板上加有电压时，从离子源射出的离子
束可以沿着45°圆弧轨道通过，但是当不加电压时，任何从离子源射出
的离子束都通不过；所以这种结构不能与同时注入系统的光路组合成
一条光路。而本发明的串接双注入系统利用了速度分析器中粒子轨道
是直线行进的特点，把交替注入系统的束流光学元件与同时注入系统的
光学元件分离开，再串接组合成一个双注入光路系统。这也是本发明与
混接式双注入系统的不同之处。
本发明的另一个特点是采用电场交替改变的速度分析器。由于注
入能量选定在keV量级上，比用在高能质谱计段时的能量(＞18MeV)低
很多倍，所以它的机械尺寸和电、磁参数都可用得较低些。在保证质量
色散宽度大和聚焦性能好的条件下，它的脉冲电压幅度＜5kV，而“能
量跳跃”技术中的脉冲电压幅度为15kV。另外，速度分析器也具有能
量色散作用，这也就代替了一般“能量跳跃”注入系统中配置的球形静
电偏转板的作用。当然速度分析器比静电偏转板增加了磁场参数，这就
使结构复杂，还要考虑去掉剩磁。
考虑到同一光路系统用作两种注入模式时，对离子源引出束流的聚
焦位置的改变，所以本发明把通常的导向器改为既能导向又能聚焦的
静电四极透镜。
在现有技术中，HVEE公司和NEC公司的多核素AMS装置所采用的
并接双注入系统，要有两套离子源和注入器，包括相应的真空部件、束
测元件和控制系统在内，不仅使设备庞大，且使AMS装置的价格增加
三分之一以上，约八十万美元。而本发明的串接双注入系统在保持与
上述二公司产品同样性能水平的情况下可降低成本约五十万美元。
附图说明
附图1为本发明所设计双注入串接加速器质谱计的结构示意图；
附图2为本发明所设计串接组合双注入系统的结构原理图，其为同时
注入14C离子束轨迹的示意；附图3为所设计串接组合双注入系统的结
构原理图，其为交替注入10Be离子束轨迹的示意。图中1为离子源，2
为浸没透镜，3为加速器，4为速度分析器，5为静电四极透镜，6为
质量重组合器，7为高能质谱分析系统与探测器。
这里需要说明的是，本发明所述的注入系统中三个光学元件虽然
是已有技术产品，但除了重组合器在现有的AMS中位于注入系统内，
其余二个元件并不用在注入系统内。速度分析器在现有的AMS中位于
高能质谱分析系统，其作用是进行离子质量的选择；而四极透镜在现
有的AMS中同样位于高能质谱分析系统，其作用是会聚离子束到分析
磁铁物点、或静电分析器物点、或探测器。
本发明中位于注入系统的速度分析器在加速器质谱计交替注入运
行模式时，由于正交的电场和磁场的共同作用，它具有质量选择、能
量色散和束流双向聚焦作用；而在同时注入运行模式时，由于没有正交
的电场和磁场的共同作用，就没有这些功能，成为普通的直管道。现
有的速度分析器使用时在参数设定后，其电场值和磁场值是固定不变
的，而本发明采用的速度分析器的电场值却是以一定频率交变的，即
其采用脉冲电源，从而实现交替地选择不同质量的离子。
本发明中位于注入系统的静电四极透镜能对离子束聚焦和导向，
把要测量的离子束准确地会聚到质量重组合器的物点。现有的静电四
极透镜使用时，每副相对的两个电极板上都加上极性相同的等幅电
压，而本发明采用的静电四极透镜的每副相对的两个电极板上可以加
上极性相同的不等幅电压，从而具有导向作用，可以微调在质量重组合
器的物点平面上的束流位置和方向。
本发明中的重组合器可以采用HVEE公司的质量重组合器的结构。
在同时注入运行模式时，其作用与现有的加速器质谱计中的作用一
样。而在交替注入运行模式时，它又代替“能量跳跃”磁铁，但又与
现有的“能量跳跃”磁铁不同，沿磁铁中心线轨道相继进入的离子的
能量不再跳跃改变，所以离子不是沿同一条轨道运动，而是沿着相当于
它们在同时注入时的分离轨道运动，直至在质量重组合器的出口像点处
才又沿磁铁中心线轨道进入加速器。
本发明串列双注入系统的工作原理是：当使用同时注入运行模式
分析核素(如14C)时(如图2所示)，速度分析器不加电压，使其剩磁接
近于零，它等于一条直通管道；从离子源吸出的碳离子束由浸没透镜和
静电四极透镜的组合作用会聚到质量重组合器的物点，利用静电四极透
镜的导向功能，以微调在物点焦平面上的束流位置和方向，使束流精确
进入质量重组合器；在质量重组合器内，三种碳同位素离子先分离成
三个轨道，在重组合器的中央对称平面上，它们相距约2cm，13C-离子束
在磁铁中心线轨道上，14C-和12C-离子束分别在13C-轨道的两旁；在重组
合器的出口像点处，三种碳同位素离子束又合并成同一轨道。
当使用交替注入运行模式分析核素(如10Be)时(如图3所
示)，从离子源吸出的BeO-离子束经由浸没透镜进入到速度分析器；
在适当的电场和磁场值时，可使被分析核素的稳定同位素9Be-离子从它
的中心轴线通过，并由它和浸没透镜的组合作用把束流会聚到质量重组
合器的物点；10Be-、10B-等其他质量的离子和与9Be-中心离子束的能量
差别较大的9Be-离子都损失在重组合器的入口限缝处；固定速度分析器
磁场值，改变其电极上的电压，让在一定能散范围内的放射性同位素
10Be-离子及其同量异位素10B-离子从速度分析器的中心轴线通过并会聚
到质量重组合器的物点，而9Be-等其他不要的离子损失在重组合器的入
口限缝处。所以，如果交替的改变速度分析器的电极电压，就能交替
的将9Be-或10Be-离子从速度分析器的中心轴线通过并会聚到质量重组
合器的物点。与进入“能量跳跃”磁铁不同，相继交替进入重组合器磁
铁的9Be-和10Be-(和10B-)离子不是沿同一轨道前进，而是沿着相当于
同时注入模式时的各自轨道运动。9Be-离子束沿着四块磁铁的中心线轨
道运动，而10Be-(和10B-)离子则沿着中心线旁一定距离轨道运动；在
到达重组合器的像点后9Be-和10Be-(和10B-)离子交替的沿同一轨道进
入加速器被分析。
具体实施方式
根据本发明技术方案，离子源上的多样品装置可以采用NEC公司
的旋转式产品，但注入能量定为HVEE公司的40keV；速度分析器采用
NEC公司的结构；质量重组合器采用HVEE公司的结构；串列加速器采用
NEC公司的Pelletron 9SDH-2型或是HVEE的Tandtron 4130型；高能
质谱分析系统采用NEC或HVEE的产品。
本发明在中科院地球环境所的应用实例见图1。它的串接式双注
入系统的束流光学元件的结构参数如下：
速度分析器的长Lm＝30cm，电极间距d＝5cm，电场强度E＝
1kV/cm，需用两台输出为3kV脉冲电源供给二电极，磁场强度为4kG，
速度分析器出口与重组合器物点之间距Ld＝85cm，则对于129I的质量
色散宽度Dm＝0.3cm(束径D＝0.2cm)，因采用双聚焦速度分析器，Dm会
大于0.3cm。
静电四极透镜的长度Lq＝30cm，电极间距dq＝5cm，电场强度
E＝1kV/cm，需用两台输出为5kV带偏置电压的直流电源供给电极。
质量重组合器的四块磁铁中的每块磁铁的质能常数，在注入能量选
用40KeV时为MW/Z2＝7.5，且曲率半径为r＝33cm，磁场强度12kG。
本发明的技术方案可以根据用户的实际情况改变结构参数。