法拉第杯直接测量颗粒荷电量的屏蔽问题

自制法拉第杯测量装置,测量粉末颗粒在不同直流电晕方式人工荷电时荷电量。试验并分析了测量 的诸多干扰因素及屏蔽问题,采用杯上覆盖接地金属网可有效屏蔽电极等干扰。

FLUKA程序在法拉第杯设计中的应用

法拉第杯是加速器束流强度绝对测量装置,其收集效率对于法拉第杯的设计至关重要。应用蒙特卡罗软件FLUKA对北京正负电子对撞机直线加速器分析磁铁AM2处的法拉第杯进行模拟设计。给出了法拉第杯不同部位对收集效率的影响曲线,并给出了入射电子在法拉第杯中的能量沉积分布与带电粒子分布图,最终得到了优化的法拉第杯尺寸,使得对入射电子的收集效率达到99.73%。

自制法拉第杯测微小颗粒电荷量

采用高压电场电晕放电的方式使微小颗粒荷电,并将带电颗粒导入法拉第杯中,通过运放电路测量出法拉第杯中带电微粒的总电量,同时测算出杯中颗粒总数,即可求得微小颗粒的带电量,最终结果由单片机输出。

用于颗粒物监测仪的小型法拉第杯的优化设计

设计出一种结构简单、尺寸小,可用于微型超细颗粒物监测仪的法拉第杯。法拉第杯气流采用从敏感电极部分的前端进、后端出方式,内部敏感电极部分为镂空结构,可填充多孔金属材料。对法拉第杯的离子检测模型进行理论分析表明,提高法拉第杯中敏感电极碰撞表面积可有效提高法拉第杯的离子检测效率。经过优化设计的法拉第杯敏感电极内部填充PPI为60的多孔金属材料,比优化前的法拉第杯检测效率提高86%,配合只需放大倍数1012的静电计便可满足对普通室内环境的大气超细颗粒物数浓度的检测。设计的法拉第杯提高了颗粒物所带的电荷的检测效率,可用于大气超细颗粒物数浓度检测。

多接收热电离质谱仪法拉第杯检测器稳定性评价和检测效率的计算

测量过程中多接收热电离质谱仪的法拉第杯检测器长期暴露于离子束下,其性能会逐渐退化。为评价法拉第杯检测器的性能,在不考虑检测效率差异的前提下,采用6组不同法拉第杯组合测定了锶同位素标准物质NIST SRM987的87Sr/86Sr比值,以及一定周期内常用法拉第杯组合测定的钕143Nd/144Nd同位素比值。结果表明,不同法拉第杯组合测定结果存在显著差异,但常用法拉第杯组合在一定的周期内,结果重现性良好,说明检测器的检测效率虽发生变化,但性能基本稳定。针对6组不同法拉第杯组合测定的锶同位素标准物质的87Sr/86Sr比值,采用质量分馏指数校正模式,用规划求解函数计算了各个法拉第杯的检测效率,实现了法拉第杯检测器检测效率的修正,提高同位素比值测定的准确性。

火星尘埃带电荷量测量中法拉第杯参数的设计

大气中的尘埃会影响火星大气气候,通过摩擦和紫外线辐射,火星尘埃很容易带上电荷,带电的尘埃颗粒会悬浮、降落、黏着在航天器表面,甚至可能导致火星大气放电。此外,对尘埃带电荷量的研究有助于了解尘埃本质、起源和天体之间的关系。通过调研火星相关文献,分析国内外关于火星尘埃带电荷量的测量方法,使用斯托克斯沉降公式对火星尘埃沉降速度进行估算,并设计法拉第杯主要参数,为实现火星大气尘埃的带电荷量的原位测量提供理论和技术参考。

基于法拉第杯的离子束抛光机束流密度检测研究

根据自行研制的法拉第杯对离子束抛光(IBF)机床中离子束束流密度进行检测,通过束流密度检测实验与去除函数实验的对比,验证了该法拉第杯检测离子束束流密度的可行性及有效性。利用该法拉第杯对束流密度与离子束电流的关系进行了初步研究,发现两者之间呈线性关系。应用该法拉第杯可为抛光加工提供离子束定位和束流密度状态的重要参数。

基于电子束团调控的μA级量子电流源研究

针对单电子隧道效应在实现电流量子化中存在的困难,目前尚无法实现超过10^(–6)A的电流,因此引入粒子加速器领域的相关理论与技术,以探索实现电流量子化所需弱流电子束的新原理和新方法。首先,通过束流仿真,验证了基于螺线管磁场和可调狭缝的电子束团调制方法能够有效提高电子束团的稳定性;然后,基于仿真结果,设计了基于小型粒子加速器的实验平台,并针对高稳定度μA量级的电流探测需求,设计了阻挡式法拉第杯的探测方案;最后通过实验,在不同电子枪电流输出的情况下,经过调控,电子束团的不稳定性从2%降低至0.3%,与理论仿真结果一致。研究结果初步验证了粒子加速器应用于电流量子化的可行性,为量子电流源的理论与工程研究提供了全新的方向和思路。

一种微型FAIMS传感器芯片的研制

基于微机电系统(MEMS)技术,研制了一种微型高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)传感器芯片.芯片尺寸为18.8mm×12.4mm×1.2mm,由离子化区、迁移区、离子检测区组成.采用真空紫外灯离子源在大气压环境下对样品进行离子化,经过离子化区中聚焦电极的电场作用,实现离子在进入迁移区之前的聚焦,提高离子信号的强度.通过在上下玻璃上溅射Au/Cr(300nm/30nm)金属,并与厚度为200μm、采用感应耦合等离子体(ICP)工艺刻蚀的硅片键合,形成迁移区的矩形通道,尺寸为10mm×5mm×0.2mm.离子检测区为三排直径200μm、间距100μm交错排列的圆柱阵列式微法拉第筒,能同时检测正负离子.采用频率为2MHz,最大电压为364V,占空比为30%的高场非对称方波电压进行FAIMS芯片实验.以丙酮和甲苯为实验样品,载气流速80L·h-1,补偿电压从-10V到3V以0.1V的步长进行扫描,得到了丙酮和甲苯的FAIMS谱图,验证了FAIMS芯片的性能.丙酮和甲苯的FAIMS-MS实验进一步表明FAIMS系统实现了离子分离和过滤功能.

颗粒人工荷电带电量测量的研究

采用自制测量装置用于测量颗粒带电量.使用直流电晕方式荷电,法拉第杯覆盖接地金属网可有效屏蔽电场干扰.测量了高压负极至网间不同间距、不同负极电压以及不同介质下带电量,测量结果能达到3位有效数字,表明测量有足够的灵敏度用来进行对比分析.

RPQ-IC检测系统测量低丰度铀同位素

介绍了采用 Finnigan MAT 2 62热电离质谱计检测 NBS U 0 1 0、浓缩 2 3 3 U硝酸溶液 ( IRMM-0 40 a)。采用阻滞电位四极杆 ( RPQ) -IC装置测量低丰度铀 2 3 4 U、2 3 5U、2 3 6U的同位素丰度比 ,并与 Faraday(法拉第杯 )检测的数据进行比较。采用偏转法对 RPQ产额进行了校正。实验表明 :所得结果在误差范围内 ,RPQ-IC测量结果比 RPQ-FAR测量结果偏高 0 .1 4% ;RPQ-IC测量低丰度铀同位素的内精度比法拉第杯测量结果高 ,外精度比 FAR杯测量结果也高 ;RPQ产额变化比较大 ,但只要注意产额校正 。

固体同位素质谱计多接收器校正技术

采用标准电压法和峰跳扫描曲线拟合法分别校正了固体多接收器同位素质谱计各个放大器的放大倍数和法拉第杯接收器的接收效率。结果表明 ,这两种技术的相对标准不确定度分别为 0 .0 0 1 5 %和 0 .0 2 3 % 。

离子束抛光去除函数计算与抛光实验

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高,本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法,并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先,基于离子束抛光材料去除原理,研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响,并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后,设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系,计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明:利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验,对Φ800mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光,得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886nm,两次抛光后RMS值为11.837nm,收敛率达到4.89,满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求,并大大提升了确定去除函数的效率。

MC-ICP-MS测量铀中低丰度铀同位素比值

高精密度地测量铀材料中的铀同位素组成信息,特别是低丰度铀同位素234U和236U,是核取证研究的重要内容。本研究采用多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)测量铀同位素比值,将两种黄饼样品的酸消解液制备成238U浓度约21000ng/g和180ng/g的待测样品,采用外标标准化法和标准样品交叉法校正质量分馏效应,MC-ICP-MS对238U浓度约180ng/g的样品中235U/238U测量的相对实验标准偏差可低于0.014%。为降低超档离子流信号对低丰度铀同位素分析的影响,建立了法拉第杯接地方法,使轰击到法拉第杯上的238U^+产生的电流在到达前置放大器之前被引入大地,该方法对238U浓度约21000ng/g的样品中234U/235U测量的相对实验标准偏差可低于0.020%,对浓缩铀GBW04234和GBW04238中236U/235U测量的相对实验标准偏差小于0.11%,测量结果与参考值在不确定度范围内一致。该方法的精密度较高、结果准确,可识别铀同位素组成存在一定差异的核材料,为核取证和核保障监督提供技术支持。

熔石英表面离子束抛光去除函数稳定性研究

目的检验熔石英光学元件表面离子束抛光过程中去除函数的稳定性。方法对离子束进行法拉第扫描来获取束流密度信息,构建离子束抛光去除函数模型。分析离子束流密度信息与去除函数模型,并通过实验研究束流密度信息与去除函数之间的关系,获得基于法拉第扫描结果计算去除函数的方法。利用该方法求取离子束抛光过程中的去除函数特征量,分析去除函数特征量随时间的波动情况以此来判断去除函数的稳定性,并对熔石英元件表面进行离子束抛光实验。结果在1 keV离子束能量下对离子源进行长时间的运行实验,利用上述方法计算实验过程中的去除函数。通过计算得到离子束抛光过程中去除函数的峰值去除率(P_(max))、体积去除率(V)和半高全宽(FWHM)在8 h内的变化率都小于3%。利用离子束抛光实验对Φ100 mm的熔石英光学元件进行抛光,抛光后面形PV值由0.78λ下降到0.16λ,RMS值由72.39 nm下降到16.64 nm。结论通过法拉第扫描实现了对去除函数长时间的监测,去除函数特征量在长时间测试实验中有着很好的稳定性,并对熔石英元件表面进行离子束加工,加工后元件表面参数满足光学超精密加工的要求。

荷电控制电子枪特性的测量

扫描电子显微镜在科研和实际工作中扮演着越来越重要的角色,在集成电路行业常常被用来测量器件的关键尺寸。集成电路器件在进行表征时容易形成电荷积累,电荷积累会严重干扰检测系统的图像质量而影响测量器件尺寸的精度。使用荷电控制电子枪是一种常见且有效消除电荷积累的方式,荷电控制电子枪的特性直接影响着成像质量和检测效率。目前国内缺少有效针对荷电控制电子枪性能评价的研究,本文提出了一种法拉第杯小孔扫描测量方法并搭建了一套测试平台,在该平台上对自主研制的电子枪进行了束斑大小、束流密度分布和发散角等电子束特性测量,这将为对荷电控制电子枪的优化设计和安装调试起到了指导作用。

便携式机动车超细颗粒物粒径谱仪研制

精确测量机动车排放尾气中的超细颗粒物粒径分布,对于大气污染和人体健康风险评估意义重大。基于之前研发的单极性荷电器、平板差分电迁移分析仪(PDMA)和法拉第杯静电计(FCE)等模块,研制了一款便携式超细颗粒物粒径谱仪,可实时监测机动车排放尾气中20~500 nm的超细颗粒物粒径分布。开展了自研粒径谱仪的标定实验,结果表明该粒径谱仪所测得的粒径峰值与TSI 3081A/3082筛选出的40 nm和100 nm的单粒径颗粒物相差±5%以内,同时所测得数浓度与毕加索(Pegasor)颗粒物数浓度监测仪(PPS-M)测得的数浓度相差±10%。进而针对不同型号机动车进行了外场实验,实验结果表明汽油和柴油机动车排放尾气中的颗粒物数浓度主要集中在小于40 nm的粒径范围。此外在与商业仪器的比对实验中,自研粒径谱仪测得峰值的中值粒径为20 nm,商业化的静电低压撞击器(ELPI)测得峰值的中值粒径为17 nm,二者相差15%,表明二者具有良好的一致性。

基于LabVIEW的高能质子束流密度分布测试系统

主要介绍一套基于LabVIEW平台设计的高能质子束流密度分布测试系统,服务于电子器件抗辐射加固试验,用于加速器的辐射剂量测量;它由法拉第杯探测器,移动平台控制系统和基于LabVIEW的控制与数据获取软件三部分组成,具有对法拉第杯位置控制、静电计读写、智能化测量、数据实时处理等功能;性能测试显示该质子束流测量系统能实现亚pA级电流的测量,20pA量程时的测量精度为5%,解决了弱流质子束的测量问题;该系统具有可靠性高、可扩充性好、抗干扰能力强的特点,同时实验结果表明测得的质子束流密度分布,能准确评估电子器件辐射环境与剂量,为半导体器件抗辐射加固设计提供支撑。