中性原子束产生装置

中性原子束产生装置
1.本发明是发明名称为“中性原子束产生装置和中性原子束标定装置”的分案申请，其中，母案的申请号为202111584397.x，申请日为2021.12.21。
技术领域
2.本发明涉及粒子探测器标定技术领域，特别是涉及一种中性原子束产生装置。


背景技术：

3.行星空间环境中的低能粒子探测器的标定实验需要特定能量范围的低能中性原子束，特定能量的低能中性原子束为粒子探测器的标定实验服务，并且中性原子束可以应用在中性原子束注入实验、材料的表面处理以及一些科学研究中，其应用范围比较广泛。
4.在目前已有的技术中，常见产生低能中性原子束方法有两种：一种是利用入射离子束与金刚石或金属箔片进行电荷交换，出射的束流中包含了用于标定的中性原子束，但该方法产生的低能中性原子束能量不稳定，即无法获得特定能量的低能中性原子束；另一种方法是采用掠射法在抛光的金属表面进行表面中和，但该方法效率较低，散射较大，且对金属材料反射面有要求较高，产生的低能中性原子束能量不稳定。


技术实现要素：

5.本发明提供一种中性原子束产生装置，使生成的低能中性原子束转换效率提高，能量更稳定，且实验装置更简单。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.一种中性原子束产生装置，包括：
8.离子源，用于发射具有预定能量的离子束；所述离子源包括永磁体、阴极高压穿通管、连接器屏蔽、阳极高压馈通、离子飞行管接地盖、法兰和聚焦高压馈通；所述离子源在5kev至250ev的能量范围运行；
9.所述永磁体用于产生磁场；所述阴极高压穿通管用于给正离子提供能量并维持放电；所述连接器屏蔽用于防止电磁干扰辐射进入离子源内部；所述阳极高压馈通用于给负离子提供能量并维持放电；所述离子飞行管接地盖用于导出所述离子束和接地；所述法兰用于设备之间的连接；所述聚焦高压馈通用于改变所述离子束的方向；
10.碳膜，用于接收所述离子束并与所述离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子、正离子和负离子的混合束流；所述碳膜是以包含芳环结构和热固性树脂的聚合物为前体经高温热解制成的；
11.偏转板，包括正极板和负极板，来自于所述碳膜的混合束流中的负离子和正离子分别被所述正极板和负极板吸收，使得所述偏转板发射中性原子束。
12.可选地，装置还包括第一准直器和/或第二准直器；
13.所述第一准直器设置在所述离子源和所述碳膜之间，以准直来自于所述离子源的离子束；所述第二准直器设置在所述碳膜和所述偏转板之间，以准直来自于所述碳膜的混
合束流；
14.所述第一准直器和第二准直器之间的距离为2-3厘米。
15.可选地，所述偏转板的正极板和负极板平行于所述第二准直器的狭缝。
16.可选地，所述碳膜的厚度小于10纳米、并吸附在钼网上。
17.可选地，所述碳膜包括金刚石碳膜或石墨烯膜。
18.可选地，所述离子源包括高频离子源、弧放电离子源、pig离子源和双等离子体离子源中的一种。
19.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
20.本发明公开一种中性原子束产生装置，通过离子源发射具有预定能量的离子束，碳膜接收离子束并与离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子、正离子和负离子的混合束流；偏转板包括正极板和负极板，来自于碳膜的混合束流中的负离子和正离子分别被正极板和负极板吸收，使得偏转板发射中性原子束。本发明通过采用离子束与碳膜进行电荷交换的方法，使生成的低能中性原子束转换效率提高，能量更稳定，且实验装置更简单。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例的中性原子束产生装置的原理示意图；
23.图2为本发明实施例的离子源的立体示意图；
24.图3为本发明实施例的离子源的工作原理图；
25.图4为本发明实施例的氢离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图；
26.图5为本发明实施例的氢离子束在0～10kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图；
27.图6为本发明实施例的氧离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图；
28.图7为本发明实施例的碳离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图；
29.图8为本发明实施例的氩离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。
30.符号说明：
31.1-离子源，2-第一准直器，3-碳膜，4-第二准直器，5-偏转板，6-正离子，7-中性原子，8-负离子，9-永磁体，10-阳极高压馈通，11-聚焦高压馈通，12-离子飞行管接地盖，13-法兰，14-屏蔽连接器，15-阴极高压穿通管，16-永磁体磁场，17-气室，18-飞行管，19-接地盖，20-进气口，21-阳极板，22-阴极板，23-聚焦电极。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.本发明提供一种中性原子束产生装置，包括：离子源，用于发射具有预定能量的离子束；碳膜，用于接收所述离子束并与所述离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子、正离子和负离子的混合束流；以及偏转板，包括正极板和负极板，来自于所述碳膜的混合束流中的负离子和正离子分别被所述正极板和负极板吸收，使得所述偏转板发射中性原子束。
35.本发明还提供一种中性原子束标定装置，包括：所述中性原子束产生装置以及中性原子探测器；所述中性原子束产生装置产生的已知的中性原子束输入到所述中性原子探测器，以对所述中性原子探测器进行标定。
36.如图1所示，本发明中性原子束产生装置包括：离子源1，用于发射具有预定能量的离子束；碳膜3，用于接收离子束并与离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子7、正离子6和负离子8的混合束流；以及偏转板5，包括正极板和负极板，来自于碳膜3的混合束流中的负离子8和正离子6分别被正极板和负极板吸收，使得偏转板5发射中性原子束。在本发明的一些实施例中，离子源1是使中性原子或分子发生电离，并在电磁场的作用下引出离子束流的装置。该离子源1用于产生特定能量的离子束，不限于离子束的种类，例如氢离子、氦离子等都可以作为初始入射离子束流。
37.根据本发明的上述实施例的中性原子束产生装置，通过采用离子束与碳膜进行电荷交换的方法，使生成的低能中性原子束转换效率提高，能量更稳定，且实验装置更简单。
38.在本发明的一些实施例中，如图2所示，离子源1包括：永磁体9，用于产生磁场；阴极高压穿通管15，用于给正离子提供能量并维持放电；连接器屏蔽14，用于防止电磁干扰辐射进入离子源内部；阳极高压馈通10，用于给负离子提供能量并维持放电；离子飞行管接地盖12，用于导出所述离子束和接地；法兰13，用于设备之间的连接；聚焦高压馈通11，用于改变所述离子束的方向。
39.在本发明的一些实施例中，离子源1可在5kev至250ev的能量范围运行，最大束流超过50μa。
40.图3示意性示出了本发明实施例的离子源的工作原理图。
41.在本发明的一些实施例中，离子在永磁体磁场16中通过进气口20进入气室17，通过阳极板21和阴极板22之间施加的电压改变离子束的能量大小，从气室17引出的离子进入飞行管18，在飞行管18中，离子以高能量运动，并通过聚焦电极23使离子束聚焦，然后从飞行管18射出，阴极板22的电位与接地盖19的地电位之间的差值决定出射离子束的能量大小。
42.在本发明的一些实施例中，离子穿过阳极板21和阴极板22后产生的初级电子具有螺旋状的运动路径，使电子反复与中性气体分子或原子碰撞，从而产生更多的电子和离子。
43.在本发明的一些实施例中，还包括第一准直器2和/或第二准直器4。第一准直器2
设置在离子源1和碳膜3之间，以准直来自于离子源1的离子束。第二准直器4设置在碳膜3和偏转板5之间，以准直来自于碳膜3的混合束流。
44.在本发明的一些实施例中，准直系统包括第一准直器2和第二准直器4，有两条狭缝和一个准直孔，用于准直从离子源发射出的低能离子束以及经过与碳膜相互作用后出射的混合束流，其中出射的混合束流包括中性原子、正离子和负离子。
45.在本发明的一些实施例中，偏转板5的正极板和负极板平行于第二准直器4的狭缝。
46.在本发明的一些实施例中，偏转板5可以根据电荷分离正负离子。中性粒子直接穿过，正离子和负离子分别打在偏转板5的两级上被吸收。通过偏转板5所吸收正负离子的能量大小也可得出离子源出的出射离子束的能量大小。被分离出的低能中性原子束可以被引出进入靶室，用于低能中性粒子探测器标定以及相关的科学研究。
47.在本发明的一些实施例中，第一准直器2和第二准直器4之间的距离为2-3厘米。
48.在本发明的一些实施例中，碳膜3是以包含芳环结构和热固性树脂的聚合物为前体经高温热解制成的。
49.在本发明的一些实施例中，碳膜3的厚度小于10纳米、并吸附在钼网上。
50.在本发明的一些实施例中，碳膜3使用超薄碳膜(包括石墨烯膜)，将超薄碳膜吸附在钼网上以提高碳膜所能承受的压力值，防止离子的入射强度使碳膜3破裂。入射离子穿过碳膜3时会与碳膜3发生相互作用，出射束流中包含中性原子、正离子和负离子，其中碳膜3厚度越小，能量损失越少，转换效率越高。
51.在本发明的一些实施例中，碳膜3包括金刚石碳膜或石墨烯膜。金刚石碳膜的内部原子同一电子层内以一个ns轨道和三个np轨道发生sp3杂化为主，碳膜内部存在较大的内应力，降低了碳膜和基体(载网)之间的结合强度，导致碳膜在金属基体表面成膜困难；石墨碳膜的内部原子同一电子层内以一个ns轨道和两个np轨道发生sp2杂化为主，与金刚石碳膜相比较，石墨碳膜具有内应力较小、与基体结合强度好的特点，同时还保留了硬度高、磨损率低等优点。并且使用更薄的石墨烯膜与入射离子束流发生相互作用后，出射的混合束流散射角度更小。
52.图4示意性示出了本发明实施例的氢离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。图5示意性示出了本发明实施例的氢离子束在0～10kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。图6示意性示出了本发明实施例的氧离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。图7示意性示出了本发明实施例的碳离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。图8示意性示出了本发明实施例的氩离子束在0～50kev的低能段与碳膜发生相互作用后产生的离子束能量结果图。
53.在本发明的一些实施例中，图4～图8中，横坐标表示离子束的入射能量，纵坐标表示入射离子束与碳膜发生电荷转换后的出射离子束能量百分比，其中，
◇
表示的是0.5μg/cm2超薄碳膜，+表示的是单层石墨烯膜，
※
表示的是双层石墨烯膜。
54.在本发明的一些实施例中，如图4、图5所示，在0～50kev的低能段，当入射离子束能量大小为10kev时，产生的氢原子束能量大约为70％，氢正离子束能量约为25％，氢负离子束能量不到5％。随着入射离子束的能量提高，氢原子束的转换效率越低，随着超薄碳膜
的厚度越小，氢原子束的转换效率越高。
55.在本发明的一些实施例中，如图6、图7、图8所示，在0～50kev的低能段，氧原子束、碳原子束、氩原子束随着入射离子束的能量提高，转换效率越低，随着超薄碳膜的厚度越小，转换效率越高。
56.在本发明的一些实施例中，离子源1包括：高频离子源、弧放电离子源、pig离子源、和双等离子体离子源中的一种。
57.在本发明的实施例还提供了一种中性原子束标定装置，包括：中性原子束产生装置，以及上述任一实施例所述的中性原子探测器，中性原子束产生装置产生的已知的中性原子束输入到中性原子探测器，以对中性原子探测器进行标定。
58.在本发明的一些实施例中，中性原子探测器设置在封闭的靶室中。经标定后的中性原子探测器可用于相关环境中中性原子的检测。
59.根据本发明上述实施例的中性原子束产生装置产生的低能中性原子束，可应用于研究行星空间环境中的中性原子的粒子探测器的标定实验服务，也可以应用在中性原子束注入实验、材料的表面处理以及一些科学研究中，应用范围比较广泛。
60.本发明的技术方案与背景技术中所提到的将入射离子束与金刚石或金属箔片进行电荷交换以及采用掠射法在抛光的金属表面进行表面中和两种方法相比，通过采用离子束与碳膜进行电荷交换的方法，使生成的低能中性原子束转换效率提高，能量更稳定，且实验装置更简单。
61.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
62.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种中性原子束产生装置，其特征在于，装置包括：离子源，用于发射具有预定能量的离子束；所述离子源包括永磁体、阴极高压穿通管、连接器屏蔽、阳极高压馈通、离子飞行管接地盖、法兰和聚焦高压馈通；所述离子源在5kev至250ev的能量范围运行；所述永磁体用于产生磁场；所述阴极高压穿通管用于给正离子提供能量并维持放电；所述连接器屏蔽用于防止电磁干扰辐射进入离子源内部；所述阳极高压馈通用于给负离子提供能量并维持放电；所述离子飞行管接地盖用于导出所述离子束和接地；所述法兰用于设备之间的连接；所述聚焦高压馈通用于改变所述离子束的方向；碳膜，用于接收所述离子束并与所述离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子、正离子和负离子的混合束流；所述碳膜是以包含芳环结构和热固性树脂的聚合物为前体经高温热解制成的；偏转板，包括正极板和负极板，来自于所述碳膜的混合束流中的负离子和正离子分别被所述正极板和负极板吸收，使得所述偏转板发射中性原子束。2.根据权利要求1所述的中性原子束产生装置，其特征在于，装置还包括第一准直器和/或第二准直器；所述第一准直器设置在所述离子源和所述碳膜之间，以准直来自于所述离子源的离子束；所述第二准直器设置在所述碳膜和所述偏转板之间，以准直来自于所述碳膜的混合束流；所述第一准直器和第二准直器之间的距离为2-3厘米。3.根据权利要求2所述的中性原子束产生装置，其特征在于，所述偏转板的正极板和负极板平行于所述第二准直器的狭缝。4.根据权利要求1所述的中性原子束产生装置，其特征在于，所述碳膜的厚度小于10纳米、并吸附在钼网上。5.根据权利要求1所述的中性原子束产生装置，其特征在于，所述碳膜包括金刚石碳膜或石墨烯膜。6.根据权利要求1中所述的中性原子束产生装置，其特征在于，所述离子源包括高频离子源、弧放电离子源、pig离子源和双等离子体离子源中的一种。

技术总结
本发明公开一种中性原子束产生装置，涉及粒子探测器标定技术领域，装置包括：离子源用于发射具有预定能量的离子束；离子源包括永磁体、阴极高压穿通管、连接器屏蔽、阳极高压馈通、离子飞行管接地盖、法兰和聚焦高压馈通；碳膜用于接收离子束并与离子束发生电荷交换，以射出包括中性原子、正离子和负离子的混合束流；碳膜是以包含芳环结构和热固性树脂的聚合物为前体经高温热解制成的；偏转板包括正极板和负极板，来自于碳膜的混合束流中的负离子和正离子分别被正极板和负极板吸收，使得偏转板发射中性原子束。本发明通过采用离子束与碳膜进行电荷交换的方法，使生成的低能中性原子束转换效率提高，能量更稳定，且实验装置更简单。且实验装置更简单。且实验装置更简单。


技术研发人员：杨翠 郝新军 李毅人 汪毓明
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2021.12.21
技术公布日：2023/9/6