從理論上研究了熱電離質譜計法拉第杯接收器放大器的非線性效應,建立了校正的數學模型。應用該模型,可以用一種同位素標準物質直接檢驗法拉第接收器放大器的非線性,而不用常規的系列同位素標準物質來檢驗放大器非線性。應用U TB2500 鈾同位素標準物質、峰跳掃描質譜測量技術,檢驗了一臺熱電離質譜計法拉第接收器放大器的非線性,并對存在的非線性進行了校正。同時,驗證了在同位素豐度比值一定的情況下,非線性校正因子是恒定的,它不隨離子流信號強度的變化而變化。

　　熱電離質譜計廣泛應用于核工業,地質年代學,環境科學等領域中同位素豐度比值的測量。隨著質譜儀器技術的發展,特別是多接收技術的普及,豐度比值測量的精密度得到了很大的提高。但是,測量的準確度仍然受到限制,這是由于存在系統偏差的緣故。多接收熱電離質譜技術的主要系統偏差來源有同位素質量分餾效應,多接收器接收效率的差異,放大器增益的差異,放大器非線性等。

　　對于同位素質量分餾效應、多接收器效率差異、放大器增益差異的校正,目前有比較充分的研究。質量分餾效應通常應用同位素標準物質校正技術,或者全蒸發技術校正。對多接收器接收效率的校正使用峰跳掃描技術,或者同位素標準物質技術進行校正,也有質譜計應用新型法拉第接收器,它的接收效率為100 %,不需要校正。對于放大器增益的校正,商用質譜計都有自動校正程序,全部使用高穩定的電壓源輪流掃描技術進行校正。

　　對于接收器放大器非線性的校正,目前國內外普遍采用同位素系列標準物質技術進行校正,校正應用的同位素系列標準有歐共體的IRMM072 系列鈾同位素標準物質,美國的NIST、NBL系列鈾同位素標準物質 。本項目將系統研究放大器非線性理論,建立新的放大器非線性校正理論模型和校正實驗技術。

1、理論研究

1.1、非線性校正模型的建立

　　放大器系統非線性是一種在分析儀器放大器電子線路中廣泛存在的現象,它表現為系統對小信號的響應畸變。假設放大器的滿量程信號強度為V0 ,嚴格來講,小于V0 的信號都會產生非線性效應。電子線路的非線性理論和實驗研究結果表明,非線性效應服從對數規律。因此,對信號強度的非線性修正模型可以用式(1)表示:

　　式中,VL 為經過非線性修正的信號強度; m 為非線性校正常數,對于正常的放大器來說, │m │遠小于1 ;V NL 為未經過非線性修正測得的信號強度;V 0 為放大器的滿量程信號強度。在進行同位素豐度比值測量時,通過放大器系統得到的同位素豐度比值的測量值用式(2)表示:

　　式中, RNL 為未經過非線性修正測得的同位素豐度比值;V 1 為測得的同位素1 離子流的信號強度;V 2 為測得的同位素2 離子流的信號強度。由式(1)和式(2) 得到,經過放大器非線性修正后的同位素豐度比值RL ,示于式(3) :

　　式(7) 是最終建立的放大器非線性校正理論模型。根據模型可以得出,只要測量一種同位素豐度比值R 遠遠偏離1 的同位素標準物質,將標稱值RL 及其測量值RNL 代入式(7) ,就可以得到非線性校正常數m ,進而計算出任意豐度比值或任意離子流信號強度下的非線性校正因子,來校正放大器的非線性。與目前國內外普遍采用的系列同位素標準物質校正放大器非線性的技術相比,從測量一系列同位素標準物質到測量一種標準物質,顯然能夠簡化校正過程,減小校正的不確定度。

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4、結論

　　熱電離質譜計法拉第杯接收器放大器的非線性校正因子可以與比值或離子流信號強度建立對數線性關系,在同位素豐度比值一定的情況下,非線性校正因子不隨離子流信號強度的變化而變化。在實驗上,可以只用一種鈾同位素標準物質UTB2500 ,采用單杯峰跳掃描質譜測量技術實現放大器的非線性校正。