串列静电加速器 - 北京大学实验室与设备管理部

学科概况物理学院教学科研涉及物理学、大气科学、天文学和核科学与技术4个一级学科。

一级学科博士点（4个）：物理学、大气科学、天文学、核科学与技术国家一级重点学科（2个）：物理学、大气科学国家二级重点学科（2个）：天体物理、核技术及应用博士后流动站（4个）：物理学、大气科学、天文学、核科学与技术国家理科基础研究和教学人才培养基地（3个）：物理学、核科学与技术、大气科学本科专业/学科（4个）：物理学、大气科学、核科学与技术（以上三个为一级学科招生）、天文学物理学学科物理学专业既是活跃的物质世界基础研究前沿，又是现代高新技术的基础和源泉。

受到良好物理学教育的学生，既适合在微观、介观和宇观物质科学前沿从事研究，同时在信息科学、生物工程、通讯、航天、新材料开发、新能源等方面也有独特的优势。

在科学技术飞速发展的时代，物理学专业的毕业生由于基础宽、能力强而具有很好的就业前景和广阔的就业领域，比如国内外物理学研究、高等教育、材料科学技术、信息产业、生物技术、能源技术、高科技产品开发、企业管理、金融研究和管理等等。

物理学院实体单位及学科专业图1北京大学物理学科是1991年评定的全国第一批“国家理科基础研究和教学人才培养基地”。

经过8年的建设，于1999年11月通过了教育部组织的专家组验收评估，正式挂牌(目前全国物理学科仅此一个)；在此后的历次评估和验收中，都被评为优秀基地。

其开设的课程中，7门课程是国家级精品课程(力学、电磁学、光学、数学物理方法、量子力学、普通物理实验、近代物理实验)，全国所有高校的一个学科中最多。

北京大学物理学科设有理论物理、凝聚态物理与材料物理、光学、粒子物理与核物理、等离子体物理等五个二级学科，研究工作涉及物理学的众多研究方向，具有物理学一级学科博士学位授予权，其理论物理、凝聚态物理与材料物理、光学和粒子物理与核物理为国家重点学科，并设有一个博士后流动站。

物理学科拥有“人工微结构和介观物理”国家重点实验室，“量子色动力学与强子物理”、“飞秒光物理与介观光学”、“生物网络研究”等三个国家自然科学基金委员会创新研究群体(拥有如此众多创新研究群体，北京大学也是全国唯一一个)。

北京高校静电加速器及其应用世界范围内，科学探究领域一直在不息进步，其中物理学尤为重要。

而北京高校的静电加速器作为物理学探究的重要设备，为科学家们提供了分外好的条件和工具，推动了科学探究的进展。

本文将介绍北京高校静电加速器的原理、结构和应用。

起首，我们来了解一下静电加速器的原理。

静电加速器是一种利用静电场加速带电粒子的装置。

它由高压电源、加速管和探测器等部分组成。

在加速过程中，高压电源提供静电场，将带电粒子加速到高能量状态。

然后，带电粒子通过加速管中的电场，达到所需的速度。

最后，通过探测器可以获得粒子的性质和运动状况。

北京高校的静电加速器结构复杂、多样，并且配备了先进的探测器系统。

整个设备由多个部分组成，其中加速管是实现加速的关键组件。

加速管通常是一个紧凑的容器，内部附有绝缘体材料。

这种设计能够有效地提高静电场的匀称性和稳定性。

此外，还需要一套高压电源系统来提供稳定的加速电压，在试验过程中保证粒子的稳定加速。

最后，为了观察和测量带电粒子的性质，需要配备高灵敏度的探测器系统，使得科学家们能够获得精确的试验数据。

接下来，我们将介绍几个北京高校静电加速器的应用领域。

起首是核物理探究。

静电加速器可以用于核素分离和核反应探测。

科学家们可以通过调整加速器的参数，实现不同粒子的选择性加速和分离。

这种技术可以用于合成新的核素，探究核反应的机理，并且对于理解宇宙的演化和核物质的基本性质有很大的意义。

其次是材料科学探究。

静电加速器可以用于材料表面的改性和材料性能的探究。

科学家们可以通过控制加速的能量和粒子的种类，实现对不同材料的表面介入，从而改变材料的物理、化学性质。

这种技术不仅可以用于材料的修复和改良，还可以用于开发新型材料和探究未知的现象。

此外，静电加速器还在医学物理学和辐射治疗领域有重要应用。

在医学物理学探究中，科学家们可以利用静电加速器加速粒子，产生高质量的束流，并用于帮助诊断和治疗。

在辐射治疗中，加速器可以用于产生高能量的离子束，用于肿瘤的靶向治疗。

HI—13串列加速器的改进7年通过国家验收.加速器运行状态良好.运行水平逐年提高.已累积供束约13000h.为确保加速器安全稳定运行.为改善加速器性能及扩大使用范围,从加速器投入运行起,就开始考虑加速器的改进和发展工作,但由于加速器运行任务重,资金不充足等原因.近期难以开展非常重大的改进项目,因此首先开展了投资少见效快的加速器改进和部件国产化的工作.现简l介如下:一,注入器系统nHI一13串列加速器的注入器为1410型注入器.其能量为0—150keV.双聚焦磁铁分辨率L为1/80,配备有834型溅射负离子源.725型双等离子体负离子源.710型锂电荷交换负离子源.已获20余种负离子.L部件改进及国产化725型负双等离子源原设计的中间电极,阳极及吸极之间间隙小,固定不可调.电极间经常发生打火,造成柬漉不稳定.现对原结构进行改进,将中间电极一阳极间隙由0.2mm增到08mm’阳极一吸极间晾由1mE增到2mE.之后,再无打火现象发生.并保持了啄有的束流强度和发射度.834型溅射源的钨离子器是易损而又关键的部件,如从美国购买,不仅价格昂贵+且订贷周期长,因此用自制的钨离子器,其性能良好,寿命达上千h.在834溅射源上采用反射束型靶锥.较大地增加了那些产额较低的负离子的流强.例如用反射Si靶锥获6ASi一.注入器真空系统中15.24cm和10.16cm扩散泵的工作液为V atian公司的聚苯醚,现改用国产高真空硅油代之,工作正常,性能良好.注入器15okV平台E的离子谭和某些设备由去离子水和氟里昂113来冷却.如工作环境相对湿度大于50%.冷却塑料管t会凝结水珠.再加上塑料管上附着灰尘,致使处于150kV和地电位之问的冷却塑料管爬电或打火,造成注入器难于正常工作.设计一个移动式干燥罐,把冷却塑料管放其内,罐内充有稍大于一个气压的干燥氨气,氮气可流动,问题得到圆满解决.2.负离子源实验装I的建立负离子源实验装置是国内外大型串列加速器实验室的重要设备之一.为了做好现有6台负离子源和已到货的强流负离子源的维修调试改进工作,为了开展新离子源的研制.以利于11,譬1,垛月一卷口_一艘1,J核技术第l5卷提高加速器运行效率和扩大使用范围,我们建立了1台负离子源实验装置.1)负离子源实验装置从离子源引出的负离子束.首先经过单透镜聚焦,正交场消除负离子束中的电子,导向器Y方向导向,再经过90.磁分析器分析,最后打到法拉第筒上并被测量.此装置有如下特点:(1)结构紧凑灵活方便.采用一个过渡法兰,很容易将4种离子源安装在实验装置上进行实验.(2)无油真空系统.采用2台分子泵机组(450L/s).系统真空可达2×10～Pa.(3)采用液态氟里昂和去离子水玲却各种离子源.自己设计加工一套液态氟里昂113闭路循环回路.去离子水再生混合床和热交换器,系统中采用了磁力升压泵.此}拿却系统耐压30kV,冷却效果好(4)采用光控调节各种离子源参数.由于每种离子源的工作原理和工作条件不同,它们所需的每个电源和控制部件所处的电位不同.分别处于0kV,30kV和50kV电位上,这些电源和控制部件分别披安装在3个电源控制柜内.高电位上的电源由隔离变压器供电.采用光导控制.2)负离子源实验装置的调试分别对真空系统.玲却系统,电源及控制系统和测量系统进行调试.整个装置进行了准直对中.表1出束实验结果TableIExperimentalresults将834溅射源装在实验装置上进行总体调试和出束实验,其结果如表1所示.表1表明负离子源实验装置工作正常.性能良好.二,剥离器系统1.第一剥离器在HI-13串列加速器头部有2种剥离器.(1)气体剥离器.它的不锈钢管长10m,内径48.6mm.充N2气体,由宝石针伐控制气靶厚度.(2)固体剥离器.它装有240片碳膜,膜I10t~g/cn2,由美国HVEC提供后使用自制的裂解乙烯膜和碳弧膜(美国制)各半膜的性能良好寿命满足要求.如果加速器连续运行,一般约7—8个月换一次膜.对自制碳膜的寿命进行了测试.方法如下:注入1.5AF束.头部高压为10.5MV 时,松弛裂解乙烯膜的寿命为1885uA?min.火花法碳膜寿命为180A?min.2.第二剥离器提高被加速离子的能量.扩大重离子核反应的研究范围是加速器改进的首要任吾.提高HI一13加速器能量有几种不同的途径.但现有的条件下.首先可行的方案是在加速器的5—6死区建立第二剥离器系统.离子仅进行一次剥离.昕获能量为第6期秦久}1等:HI一13串列加速l播的改进El=(1+q1)V离子进行二次剥离.所扶能量为:(1+口l+3/4口)q—q2一ql式中,为加速器头部高压;q.为第一次剥离后离子电荷态;q为第二次剥离后离子电荷态.一般z/q可达2～3,所以离子能量可增加20—30MeV.一次剥离核物理实验的核反应范围为Mg打U及Ca打Ca,而二次剥离可扩大到si打U及Fe打Fe.从而看出增加第二剥离器是非常有意义的.已完成第二剥离器组装,真空实验(1×10-.’Pa),水压实验(1Mpa/crrl),气压实验(09MPa/cm0)高气压下找漏,电气控制调试及死区结构改进的部件加工等,1991年4季度开钢筒,把第二剥离器安装在加速器上调试和使用.三,真空系统HI一13串列加速器真空系统庞大而复杂,我们对系统中设汁不合理处进行了改进.对易损部件进行了国产化,确保了加速器真空系统全年连续安全运行. 1.加速器开关磁铁后有六根束流管道(最长34rrl,最短12m),除了一根短管道装1台离子泵外,其余每根管道上都姨有2台120L/s的离子泵.为启动离子泵,要对管道预抽.原设计是由远离开关磁铁20rrl处的主帆扩散泵机组承担预抽,其预抽时间长,预抽真空眭低,离子泵准启动.我们设计组装了2套可移动式分子泵(450L/s)及测量的预抽真空装置,可非常灵活方便地对6条束流管道预抽,使真空很快达到6x10-..Pa,离子泵很容易启动起来.2高气压下真空找漏.HI一13串列加速器钢筒内多数密封口采用了双密封圈结构,可在常压下模拟高气压找漏,但钢筒内也有些密封I:1采用单密封结掏,无法在常压下进行高气压找漏.而这些密封口有时在常压下不漏,而封钢筒充高气压SF后却出现漏,开钢筒后又不漏.为此我们设计加工了一套在封钢筒充高压气体后,对钢筒内部部件可进行找漏的装置.3.由开关磁铁真空室及6条束流管道起始段组成的开关磁铁真空区,裰盖面积广,真空容积大,但原设计却没有安装任何真空泵机组,造成开关磁铁区真空度低,直接影响磁分析器象点处离子泵,使其难启动,也使6条束流管道上离子泵负载大.我们在开关磁铁区R10出口处设计了管道,安装一台450L/s离子泵.现开关磁铁区真空度由6—8×10Pa提高到Ix10Pa,而今管道上离子泵的负载明显降低,管道真空好于l×10-4P束流传输.效率得到较大改善.4.6报束流管道上l1台离子泵从1985年开始运行+泵蕊寿命已达极限,每台泵内有4个抽气单元,共需44个,每个847美元.从国外订货周期长,价格贵.我们进行了国产化试制工作,对泵芯进行了机械测绘.其材料进行了光谱分析.最后由北京科仪厂生产,泵极限真空3.8×10Pa.负载电流30A.1989年泵芯已用于束流管道上,盾行稳定,性能良好.仅此一项节省10万元.加速器头部2台三极离子泵芯也将国产化,由沈阳仪器厂生产.四,输电系统1.国产化充电系统是HI一13串列加速器的关键系统=该系统的输电梯.主,从轮上的导电橡胶核技术第l5卷惰轮等设备和部件,价格昂贵又易损.仅一条输电梯就约10万美元.我们对输电梯系统进行了有计划的国产化工作.(1)输电梯的梯筒,梯板,销轴,螺钉等金属部件的研制在材料上,为满足P?V=600kg/cm-12m/s的工作要求,采用与美国材料相似的国产1Crl8Ni9Ti制造梯筒,.螺钉,国产LD12型材料制造梯板,40Cr制造销轴.在结构上,为了确保与现有进口绝缘子和Du轴承匹配,总的外形结构和尺寸不变,但对具体细节进行了改进.例如,将梯筒不对称的销座改为对称销座,销轴内的螺孔由英制7/32英寸,改为公制M6,这些改进使模具设计和加工简单并标准化,梯子重量减轻9.227kg,在相同张力下.梯子的垂度减小1—2mm,梯子绝缘子的疲劳损伤也会减轻.梯子的Du轴承和绝缘子研制成功后,可实现输电梯全部国产化.(2)输电梯的主,从动轮上导电橡胶的研制导电橡胶直接影响输电住能,它是美国制造的聚氨脂碳布型导电橡胶,至今未发现国内有同类产品,我们进行国产化研制.经大量的反复的材料配方,工艺试验,性能测试,终于使样品在硬度(邵氏A87.),磨耗(0.011cm/1.6m),耐老化(70.×48h),强力系数(0.99),电性(径向电阻率小于10Q?cm,轴向小于200Q?cm)等各项性能指标达到了要求,现已投产.2.输电梯安装调节新工艺美国HVEC有专门组装调试输电梯的工艺程序,其重点是先组装成78个梯段,在加拉力下测出每梯段的长边和短边尺寸,把78个梯段长短边搭配组成一个整体.在此方法中,由于拉力不均.梯段每次受力不同.所测长度数值有很大随意性,误差很大,因此所组装的输电梯运行时摆动大,要化费一两周,甚至一个多月的时间,才能将梯摆度调到2.0—1.5mm.我们吸取HVEC经验教训,改变了组装工艺.不是先组装成78个梯段,而是组装成156个链节,并设计加工一台专用的加力测试装置.测每链节的长度,把链节长度非常接近的配对(差值小于0.05mm)组装成梯段,再把梯段匹配,组成一条输电梯.所组装的梯子运行时摆动较小,经过十多个小时调试就可把梯子摆度调到1.4m扎1990年12月梯子采用国产化金属部件,再次利用上述梯子组装新工艺,组装一条输电梯,仅用40h就将梯子摆度调到1.3mm.此输电梯已运行2200多h. 五,4条实验束流线的建立HI一13串列加速器I进时配有6条束流管道.随着科研及应用课题的开展,原有的实验管道已难满足工作的要求.为此决定扩建4条新的束流管道,分g0安装在开关磁铁后左60.,表24条束流管道相理设计的光学特性TaMe2Opticalcharacteristicsofphysicald~ignfourbeamlines第6期秦久昌等:HI一13串列加速器的改进33350.,3o.和20.位置上.物理设计的4条柬流线的光学特性如表2所示.对管遭的真空,冷却电气控制,磁透镜,磁导向器等系统进行安装调试及管道准直对中工作后,进行出束总调.先后将左20.和左50管道投入了正式运行,供束200多运行稳定,性能良好,实验靶上柬漉斑点小于3ram,管道的束流传输效率好于85%.国产的柬流管道性能达到了从美国HVEC引进的水平.六,其它系统的改进围绕加速器安全运行和性能改善,除已述的系统改进外还对其它系统做某些改进.捌如:1)H1-13串列加速器高压稳定系统的电晕针是在控制室遥控,但控制室无电晕针位置显示,给高压锻练和加速器运行带来不便,我们设计组装了电晕针位置数字显示器.2)HI一13串列加速器头部是开放的鼠笼式高压电极,曾多次发生头部的螺钉,皮带齿等异物掉到锕简底部引起打火,必须开锕简检修.每次检修仅回收和充气就要40—50h,仅SFs损失就1万多元.我们加工了一个半筒形薄铝板,放入高压电极内的底部,防止了异物掉到钢筒底部,明显地减少了开钢简检修次数.3)为了防止射线辐冁事故,开关磁铁后面的每一条束流管道上都有一个柬流塞子,当某一条隶流管道工作时,其它管道的束漉塞子被联锁,提不起来,避免了人为的或设备部件故障所造成的高能离子束误入不工作的束流管道,致使在其它实验厅工作的人员受到伤害.美国提供的六条束流管道没有束流塞子.我们对H1-13串列加速器辐射防护系统进行了改进,将开关磁铁后每根束流管道上的气动伐纳入辐射防护联锁系统,让气动伐起到柬流塞子的作用,确保了加速器运行安全.4)HI一13串列加速器头部设备是由400Hz中频发电机供电,中频发电机通过齿轮皮带由.输电梯的上转轴驱动.199o年5月将国产的聚氨脂胶带(外观好于美国皮带,尺寸,齿距完全同于美国皮带)安袭在加速器上使用,但皮带运转时与高气压的SF6气体摩擦起电,目I起打火,皮带击穿,被迫开钢筒,这是事先没有预料到的.检查国产和美国胶带的区别,发现国产聚氨脂带内尼龙线未能全部被聚氨脂复盖,外露的尼龙线与干燥SF.摩擦易产生静电.美国胶带的材料是橡胶,尼龙线复盖很好,不易摩攘起电.因此,对国产胶带生产工艺要作改进.七,近期改进工作及展望1.近期工作1)主真空系统改进两台0.3m扩散泵机姐位于HI:13串列加速器低能端和高能端,加速器安装调试期间,曾发生6段加速管教扩散泵油污染事故,被迫拆下返修.为了避免上述严重事故再次发生,决定用分子泵和离子泵联合机组,代替扩散泵机组.分子泵(1300L/s)已调试,此工作正在进行中.2)高压分压系统改进HI一13串列加速器分压系统的高压电阻没有良好的屏蔽,高压电阻是环氧树脂浇铸的兰电阻,易击穿,且体积大,价格责(每只400美元).加速器上需1152个电阻,每年用于更换电阻的经费很大,决定设计新的分压系统.通过调研考虑采用近于法国StrasbourgMp型串到的分压系统,天津产的电阻经实验能满足要求,屏蔽架已加工,有待在加速器上试验.按技术第15卷3)椭圆形截面均压环的研制HI一13串列加速器头部高压电极为鼠笼式.电场不均匀.尤其高压电极两端与均压环相接区,电场畸变较大.接近高压电极的几个均压环对钢筒底部频繁打火.严重地限制了加速器高压提高.根据我院2.5MV静电加速器将靠近高压电极的几个圆形截面均压环改为椭圆截面均压环.电场得到改的经验.我们决定也采用椭圆截面的均压环.现在对HI一13串列高压头部区进行电场计算.首先看看采用椭圆截面均压环是否会明显改善电场分布.如是.我们会很快设计和加工椭圆截面均压环.4)加速管的研制HI一13串列加速器的加速管.其保证工作寿命为5000h.现已运行上万h.加速管的备品必须及时考虑.每根加速管约15万美元,8根加速管要120万美元(不包括关税).故决定自己研制.2.今后设想HI一13串列加速器已运行5年,核物理工作取得很多可喜成果.此台加速器黄金时期可能再延长5年至l0年.5年或10年后怎么办?我们做了HI一13串列加速器发展规划调研.国外大型串列加速器建成后,为提高加速器能量,首先对串列本身动大手术,延长加速管,增加中间电极等.接着建造后加速器.根据实际情况.把建造直线后加速器列入了规划中.最近又有新想法.建立前加速器,即建造50一l00MeV质子回旋加速器,高能质子打靶产生放射性物质.再经离子源和磁分离器,最后获得所需的放射性离子束.注入到HI一13串列加速器中加速.前加速方案对天体核物理等工作更有吸引力,对加速器工程而言+比后加速器更有新的内容.世界上还没有几家实验室建成.参考文献1]XlaxYJ№lns~rMe!98h184:1572:寨氕昌等.H卜l3串州加速器安装,调试验收报告(1987)157工程国家验收会议文件3]Chang0Jeta1.№InsetMeth,1988~A269:3164]LingGXeta1.ProgressReporLBeiji眶NationalTandemAcceleratorLaboratory(1988--1989),l9曲:14 ImprovementsoftheHI-13tandemacceleratorQinJiuchangGaunXialingY angBingfanZhangCanzhenDuXuerenY uYunfengGeJiyunY angWeimin(China加leoftomicEne~’y.Beng10241AbstractImprovementsontheHI一13tandemacceleratorwhichhavebeenmadesirice1986 aresummarized.Modificationsandhomemadecomponentsfortheinjector,t hevacnnlTlsystem,thefoilstrippersystem,theladdertronchargingsystemandbeamlines aredescribed.Keywords:Tandemaccelerator。

相对论习题篇一：相对论习题省句中物理竞赛小组学案编写：进击的学渣一、设S’系以速率v = 0.60c相对于S系沿xx’轴运动，且在t =t’= 0时，x?x’?0。

（1）若有一事件，在 S系中发生于t = 2.0×107 s，x = 50 m 处，该事件在S’系中发生于何时刻？（2）－如有另一事件发生于 S系中t = 3.0×107s，x = 10 m处，在S′系中测得这两个事件的时间间隔－为多少？二、设有两个参考系S和S′，它们的原点在t = 0和t′ = 0时重合在一起。

有一事件，在S′系中发生在t′ = 8.0×10?8 s，x′ = 60 m，y′ = 0，z′ = 0处，若S′系相对于S系以速率v = 0.6c沿xx′轴运动，问该事件在S 系中的时空坐标各为多少？三、一列火车长 0.30 km 有两个闪电同时击中火车的前后两端。

隔为多少？四、在惯性系 S中，某事件 A发生在x1处，2.0 ??6 x2x2?xl = 300 m。

问：（S′生在同一地点？（S′0.80 c加速到0.90c六、（20S中，有一个光子，沿x轴正方向射向一个静止于坐标原点Oym0 ，光速为c 1/10 。

1．试求电子运动速度大小v x轴的夹角θ；电子运动到离原点距离为L0（作为已知量）的AΔt 。

2．在电子以1中的速度v开始运动时，一观察者S′相对于坐标系S也以速度v沿S中电子运动的方向运动（即S′相对于电子静止），试求S′测出的OA的长度。

μ子在相对自身静止的惯性参考系中的平均寿命t0≈2.0×10-6s．宇宙射线与大气在高空某处发生核反应产生一批μ子，以v=0.99c的速度（c为真空中的光速）向下运动并衰变．根据放射性衰变定律，相对给定惯性参考系，若t=0时刻的粒子数为N（0），t时刻剩余的粒子数为N（t），则有N（t）=N（0）e-t/t′，式中t′为相对该惯性系粒子的平均寿命．若能到达地面的μ子数为原来的5%，试估算μ子产生处相对于地面的高度h．不考虑重力和地磁场对μ子运动的影响．省句中物理竞赛小组学案编写：进击的学渣七、（16分）串列静电加速器是加速质子、重离子进行核物理基础研究以及核技术应用研究的设备，右图是其构造示意图。

二次离子质谱进展祝兆文;侯杰;郑涛;马宏骥;聂锐;丁富荣【摘要】Secondary ion mass spectrometry technique has been widely used in the material surface analysis.With the renovation of the detection method,this technique is developing rapidly.In the lab of 2×1.7MV tandem accelerator in Peking University,a facility of accelerator-based time-of-flight secondary ion mass spectrometry was built and upgraded.After analyzing the carbon-based material such as carbon nano tube and graphite,we found that carbon nano tube material could absorb hydrogen strongly.This result proved the capability of carbon nano tube material in hydrogen storage.%指出了二次离子质谱技术在材料表面分析方面有着广泛的应用,随着探测方法的改进,此技术也得到了迅速发展.在北京大学2×1.7MV串列静电加速器实验室,利用加速器飞行时间二次离子质谱装置对碳基材料进行了分析,通过实验观察到碳纳米管材料对氢具有很强的吸附能力,证实了理论上对此材料储氢能力的预言.【期刊名称】《中南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)003【总页数】4页(P67-70)【关键词】加速器;飞行时间;二次离子质谱;材料表面分析;碳基材料【作者】祝兆文;侯杰;郑涛;马宏骥;聂锐;丁富荣【作者单位】北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871;北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871;北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871;北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871;北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871;北京大学物理学院核科学与核技术国家重点实验室,北京100871【正文语种】中文【中图分类】TL817.8;O571.33荷能粒子进入靶物质以后，会与靶物质中的原子发生弹性散射、电离、二次离子发射等过程，通过对靶物质中二次离子发射产物的分析，可以获得靶物质性质的重要信息.20世纪初，Thomson J J 观察到用荷能离子轰击金属板表面时，会引起样品上粒子溅出，其中大部分为电中性，一小部分带有正电.随着20世纪40年代真空技术的进一步发展，Herzog和Vieh böck首次将二次离子与质谱分析结合起来，标志着二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)方法的诞生.二次离子质谱技术真正被用于材料分析始于20世纪60年代一个美国航空航天局的项目.Liebel和Herzog及其研究小组发展了一套二次离子质谱分析设备用来研究月球岩石样品，以得到样品中从氢到铀所有元素的空间分布.与此同时，法国巴黎十一大学的Castaing R和Slodzian G提出了关于利用发射的二次离子进行显微分析的设想.他们用氩作为初级离子束，用双聚焦扇形磁场质谱仪来分析二次离子.而Beske 和Werner等人则开始尝试把这种方法用于半导体和薄膜的表面分析.到1970年代，Wittmack K和Magee C发展了四极矩质谱仪.同时，Benninghoven A提出了静态二次离子质谱的方法，使得初级束的流强大为降低，从而只需要样品最表层原子的很小一部分(约1%)就可以完成分析[1-3].从20世纪60年代第一台商用二次离子质谱设备诞生至今，这项分析技术被广泛地应用于微电子、半导体、材料学、地质学、生物、医学、天体物理等各个领域，随着探测方法的改进，二次离子质谱技术不断得到发展.1 二次离子质谱的基本原理从离子源引出的带电离子如Cs-、Si+或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面.进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞.这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应.经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射.溅射出的粒子大部分为电中性，只有小部分是带电的离子、分子或团簇[1,2,4].携带了样品表面成分信息的二次离子出射之后，被引出电场加速后进入分析系统并被探测器所记录.经过计算机分析，就可以得到关于表面信息的能谱.谱中的计数与样品的各种成分原子浓度有关，通过与标准样品的对比，就可以得到待测样品中的原子浓度.常用的二次离子分析系统主要有单聚焦、双聚焦质谱计、四极质谱计、飞行时间、离子阱、离子回旋共振等.早期使用的质谱计存在一个共同的缺点，就是灵敏度受到低传输率和逐段开窗计数造成的二次离子低利用率的限制.1981年，Chait和Standing首次将飞行时间装置引入了二次离子质谱技术，使得灵敏度得到极大提高.表1列出了3种最常用的分析系统的参数[1].表1 3种常用分析系统参数比较Tab.1 Parameter comparison of 3 analyzing systems类型分辨率质量范围传输率探测方式相对灵敏度四极质谱仪102～103<1030．01～0．1逐段开窗定义为1磁质谱仪104>1040．1～0．5逐段开窗10飞行时间质谱仪>104<103～1040．5～1．0全谱104飞行时间质谱仪的优点在于利用一个初级粒子束的脉冲就可以得到一个全谱，而不用再持续束流下在谱上逐段开窗观测.对二次离子的利用率极高，从而可以有效地降低对样品的破坏，实现几乎无损的检测.而且通过增加脉冲的周期，原则上可以无限扩展可测的质量上限.飞行时间分析方法的基本原理：通过测量能量为E的离子飞过长度为d的距离所用的时间t，根据动能公式就可以计算得到该离子的质量TOF方法的分辨本领受离子能量、飞行时间和飞行距离测量精度的影响，其相对误差可写为：(M/ΔM)被称为二次离子质谱的质量分辨本领，目前已经可以高达104，表面单层灵敏度远超过ppm量级，微区分辨率可达100nm2，深度分辨率高达1nm.2 二次离子质谱的主要应用根据工作模式的不同，二次离子质谱要有3个方面的应用，分别是表面质谱、表面成像和深度剖析.前两种应用一般都采用流强较低的初级离子束，轰击仅影响表面原子层，对样品的损伤可忽略不计，也被称为是静态二次离子质谱(SSIMS).相反，深度剖析则一般使用流强较大的初级离子束，将样品原子逐层剥离，从而实现深层原子浓度的测量，因此也被称为动态二次离子质谱(DSIMS).常用二次离子质谱装置的原理框图如图1所示.图1 二次离子质谱装置原理框图Fig.1 Diagram of the secondary ion mass spectrometry2.1 表面质谱与其他常规分析手段相比，二次离子质谱的显著特点便是很高的灵敏度，例如，对半导体材料中硼、磷、砷等杂质的分析灵敏度可达1013～1015atom/cm3,即0.2～20×10-6.这种高灵敏度的杂质分析，是现代半导体工艺中质量控制是不可或缺的.Tawara H等人用MeV/amu能量氩的团簇离子和高电荷态离子轰击干冰靶，在二次离子产物中发现了单电荷态团簇[CO2(CO2)n]+、[CO(CO2)n]+、[O2(CO2)n]+、 [C(CO2 )n]+、 [O(CO2)n]+及少量的双电荷态团簇[5].而且这些团簇离子的产额在n>7时呈现规律性的涨落，类似于某种“幻数”结构. Farenzena L S等人分别利用1.7MeV的N2+离子和252Cf的裂变碎片轰击CO2 -H2O的混合固体靶，结果在二次离子质谱中发现了有机分子[6]，它们的产生和形成对探索前生命分子的形成机制具有重要意义.2.2 表面成像表面成像是利用二次离子束对样品的待测区域进行逐点扫描，从而得到该区域内特定原子或分子的分布图像.Jones N和 Palitsin V等利用10MeV的O4+离子轰击样品后，利用质荷比分别为73和180的二次离子绘制了样品表面成分分布的图像[7].此外，二次离子质谱所独具的高灵敏度和高空间分辨率也得到了越来越多的生命科学研究者的关注，将其用于生物样品的分子成像.Yamada H和 Ichiki K等人用6 MeV Cu4+轰击动物细胞样品[8]，得到了细胞壁上的分布图像.2.3 深度剖析深度剖析要求对样品表面的原子实现快速逐层剥离，因此采用较强的束流.实际工作中会经常采用双束，即用束斑较大的强束流用于剥离并产生平底的凹坑，同时用束斑较小的弱束流用于对凹坑底部中心区域的质谱分析.在半导体制造工艺中，扩散的过程对器件的许多性能指标具有决定性的影响，扩散层和杂质的分布直接决定了器件诸如频率、放大、耐压等参数.而二次离子质谱所具有的高灵敏度和空间分辨率就为μm尺度扩散区杂质浓度测定分析提高了理想的工具.Hubert Gnaser用30keV的Ga+以不同剂量注入InP样品后用二次离子质谱测量了Ga元素深度分布图，深度分辨约为1nm，灵敏度达到了ppm量级[9].Bailey M J和Jones B N等人用10MeV的O4+轰击纸张的样品，通过对样品表面的元素深度分布测量，来确定到底是先有指纹后有字迹还是相反[10].传统的指纹鉴定一般要使用化学试剂，二次离子质谱技术的应用无疑为鉴定工作提供一种全新的、高灵敏度且无损的检测方法.3 加速器飞行时间二次离子质谱装置我们利用北京大学2×1.7MV串列静电加速器实验室的一套加速器飞行时间二次离子质谱装置[11]，进行了一系列实验，并在原有装置的基础上进行了升级.加速器飞行时间二次离子质谱装置的原理如图2所示，可以对样品进行表面质谱分析.从溅射源引出的初级离子(如Si+离子)被加速到1～2MeV能量，经过一套脉冲化装置急性束流调制后，脉冲离子束穿过束流准直孔入射到样品表面，轰击产生的二次离子被后加速电场(～10kV)加速后进入飞行管道，被微通道板探测器(MCP)记录.图2 MeV能量加速器飞行时间二次离子质谱装置示意图 Fig.2 Diagram of the TOF-SIMS based on MeV-energy accelerator碳纳米管、石墨等碳基材料由于其独特的性质，且能够有效克服反应堆中辐照所带来的材料嬗变问题，越来越受到人们的关注.石墨由于其优异的性能，在裂变堆中被用作减速剂，在核聚变装置中也是第一壁材料的重要选择.碳纳米管(CNT)具有低密度、高弹性模量、高强度、高导电性、低的电子亲和势、良好的热稳定性等特点.碳纳米管的力学性能与它的结构以及碳原子之间的结合力有密切关系.碳纳米管的管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构，是由石墨片卷曲而成的中空管状结构，它的直径在零点几纳米到几十纳米之间[12].中空结构使得碳纳米管表现出对氢的很强的吸附作用，作为氢能发展中关键的储氢技术得到了人们的重视.理论计算显示，利用纳米管材料吸氢，最高能达到7.7%的质量比储氢容量 [13].为了研究碳基材料对于氢的吸附能力，我们对碳纳米管、石墨等进行了二次离子飞行时间质谱分析.图3为2MeV的Si+离子轰击储氢碳纳米管样品得到的二次离子质谱，图4为2MeV的Si+离子轰击石墨样品得到的二次离子质谱.图中标注的离子均为正离子，H代表一个氢离子，H2代表由2个氢气离子，(CHm)代表由一个碳原子和m个氢原子组成的团簇离子，m为1～4的整数.飞行时间/μs图3 硅离子(2MeV)轰击碳纳米管样品得到的二次离子质谱Fig.3 Secondary ion mass spectrum after 2MeV Si+ bombard on carbon nanotube飞行时间/μs图4 硅离子(2MeV)轰击石墨样品得到的二次离子质谱Fig.4 Secondary ion mass spectrum after 2MeV Si+ bombard on graphite飞行时间/μs图5 碳纳米管材料具有很强的吸附氢的能力Fig.5 Strong capability of carbon nanotube on hydrogen absorption碳纳米管和石墨样品的二次离子质谱是在同样数量的入射离子(束流积分2.5×10-11库仑)轰击后得到的.石墨体内没有氢存在，其氢的来源主要是样品准备过程中的表面吸附，氢仅在石墨表面扩散.而碳纳米管谱则包含了表面吸附的氢和氢吸附后在体内的分布.把两个二次离子质谱相减，如图5所示.分析结果表明碳纳米管相对于普通材料具有很强的吸附氢的能力.由此，我们可以得出碳纳米管材料是很有潜力的储氢材料的结论，下一步的工作将集中于定量研究碳纳米管材料吸收氢的性能.4 结语由于二次离子质谱技术超常的分辨本领，在包括材料表面分析在内的诸多方面得到了广泛的应用.我们利用北京大学2×1.7MV串列静电加速器产生的单能、高品质离子束，结合束流脉冲化和飞行时间探测技术，建立和升级了加速器飞行时间二次离子质谱装置.利用这套装置我们对碳基材料进行了分析，获得了对其基本性质的认识，证实了利用碳纳米管材料储氢的可行性.参考文献【相关文献】[1] Benninghoven A,Rudenauer F G,Werner H W.Secondary lon mass spectrometry [M].New York : John Wiley & Sons,1987.[2] 季铜鼎，林卓然.二次离子质谱与离子探针[M].北京：科学出版社,1989.[3] Vickerman J C,Brown A,Reed N M.Secondary ion mass spectrometry [M].Oxford: Oxford University Press,1989.[4] 周强，李金英，梁汉东,等.二次离子质谱(SIMS)分析技术及应用进展[J].质谱学报，2004，25：113.[5] Tawara H,Tonuma T,Kumagai H,et al.Cluster ions and multiply charged ions formed in frozen CO2 molecules under heavy ion impact[J].J Chern Phys,1991,94:4.[6] Farenzena L S,Collado V M,Ponciano C R,et al.Secondary ion emission from CO2-H2O ice irradiated by energetic heavy ions Part I.Measurement of the massspectra[J].International Journal of Mass Spectrometry,2005,243:85.[7] Jones N,Palitsin V.Surface analysis with high energy time-of-flight secondary ion mass spectrometry measured in parallel with PIXE and RBS[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,2010,268:1714.[8] Yamada H,Ichiki K.MeV-energy probe SIMS imaging of major components in animal cells etched using large gas cluster ions[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,2010,268:1736.[9] Hubert Gnaser.Focused ion beam implantation of Ga in InP studied by SIMS and dynamic computer simulations[J].Surface and Interface Analysis,2011,43:28.[10] Bailey M J,Hinder S,Watts J,et al.Depth profiling of fingerprint and ink signals by SIMS and MeV SIMS[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research SectionB,2010,268:1929.[11] 丁富荣，史平，王尧，等.加速器束流脉冲化及氢二次离子发射研究[J].原子核物理评论，2004，21：34.[12] 张兵临.碳基薄膜制备及场致电子发射[M].郑州：郑州大学出版社，2009.[13] Li J,Furuta T,Goto H,et al.Theoretical evaluation of hydrogen storage capacity in pure carbon nanostructures[J].Journal of Chemical Physics,2003,119:2376.。

碳十四专用加速器质谱仪（14C-AMS）
加速器质谱仪(AMS，Accelerator Mass Spectrometry)是结合了高能粒子加速技术和高分辨质谱技术的一种核分析仪器。

具有高精度、高分辨率、高灵敏度、分析时间短、需求样品少等特点，已成为放射性同位素研究中最前沿的大型装备。

AMS已在地球科学、环境科学、海洋科学、考古学、生命科学和医学等领域得到了极为广泛的应用。

有机地球化学国家重点实验室碳十四专用加速器质谱仪（14C-AMS）是2013年从美国国家静电公司（NEC, National Electrostatics Corporation）引进的50万伏特（0.5 MV）串列加速器质谱仪（1.5SDH-1），主要用于放射性碳十四测定。

该质谱仪配有134位样品盘固体离子源（134-MC-SNIC）和气体离子源；前处理平台配有全自动石墨制靶系统（AGE 3），制备气相(PC-GC)，质谱引导制备液相（Prep-LC-MS）。

目前该实验室由两位专职技术人员管理、运行和维护，该实验室承接外样测试分析。

NEC 0.5MV 1.5SDH-1 AMS
前处理设备
全自动石墨制靶系统（AGE 3）
制备气相(PC-GC) 质谱引导制备液相（Prep-LC-MS）。

XX（单位）科研设施和仪器开放共享自评报告（提纲）（本提纲为参考提纲，内容包括但不限于以下方面，应重点谈做法案例、成绩经验、体制机制、改进措施以及意见建议等，不应只罗列数据。

）一、运行使用情况（一）科研仪器的基本信息，仪器总量、总原值、经费来源和可开放共享情况，2023年度有效运行使用情况，支撑科技创新主要成效等；（二）科研设施信息，技术支撑团队建设情况、运行效率等。

二、共享服务成效（一）2023年度科研仪器对管理单位以外的单位提供共享服务的机时和收入情况（分为省内和省外两种情况说明），服务中小微企业情况，向大学生创业者和初创期大学生创业企业开放服务情况，支撑外单位科技创新及产生的重要成果及典型案例等；（二）2023年度科研设施对法人单位以外的单位提供共享服务和收入情况，支撑科研创新和重大工程项目重要成果及典型案例等。

三、组织管理情况（一）开放共享管理制度建设和激励措施落实情况；(二)科研设施和仪器新建和新购统筹管理情况；(S)应开放仪器数量，纳入共享服务平台开放仪器数量，在线服务平台与共享服务平台对接情况，实验队伍建设情况。

四、经费投入情况2023年度在开放共享工作中投入情况，包括平台建设、维修维护、实验技术人员等方面经费投入，如有该情况请提供相关佐证材料。

五、开放共享工作中存在的困难、问题及意见建议佐证材料清单1编办出具的“三定”方案；2.科研仪器资产清单（仪器名称、仪器编号、类型、原值、购置时间、购置仪器经费来源等）；3.根据附件3填报得内容提供相关合同或协议、税务发票、出具的检测报告；4.开放共享管理制度和激励措施相关文件；5.经费投入情况，如有此情况请提供加盖财务用章的经费数据表；6.其他能够证明完成相关工作的佐证材料。

评价考核指标体系附件7：不适用于开放共享的科学仪器设备类别根据仪器的名称、类别、主要功能进行区分，共有以下几种类别的设备不适用于开放共享，不需要填报至共享平台：1计算机及网络设备：主要包含超算系统、高性能计算、云计算，交换机、工作站等。