Spekrtometria masy

Spektrometria mas akceleratora

Rozwój

Akceleratory cząstek stosowane w fizyce jądrowej można postrzegać jako spektrometry masowe raczej zniekształconych form, ale trzy główne elementy - źródło jonów, analizator i detektor - są zawsze obecne. LW Alvarez i Robert Cornog ze Stanów Zjednoczonych po raz pierwszy zastosowali akcelerator jako spektrometr masowy w 1939 r., Kiedy zastosowali cyklotron do wykazania, że ​​hel-3 (³ He) był stabilny, a nie wodór-3 (³⁾H), ważne pytanie z fizyki jądrowej w tym czasie. Wykazali również, że hel-3 był składnikiem naturalnego helu. Ich metoda była taka sama, jak opisana powyżej dla omegatronu, z tym wyjątkiem, że zastosowano pełnowymiarowy cyklotron i łatwo rozróżniono dwa izotopy. Metoda nie była ponownie stosowana przez prawie 40 lat; jednak znalazło zastosowanie w pomiarze izotopów kosmogenicznych, radioizotopów wytwarzanych przez promienie kosmiczne padające na Ziemię lub obiekty planetarne. Izotopy te są niezwykle rzadkie, a ich liczebność jest rzędu miliona milionowych odpowiadającego pierwiastka ziemskiego, co stanowi stosunek izotopowy znacznie przekraczający możliwości normalnych spektrometrów masowych. Jeśli okres półtrwania izotopu kosmogenicznego jest stosunkowo krótki, taki jak beryl-7 (⁷ Be; 53 dni) lub węgiel-14 (¹⁴ ° C; 5,730 lat), jego stężenie w próbce można określić poprzez zliczanie radioaktywne; ale jeśli okres półtrwania jest długi, taki jak beryl-10 (¹⁰ Be; 1,5 miliona lat) lub chlor-36 (³⁶ Cl; 0,3 miliona lat), taki przebieg jest nieskuteczny. Zaletą dużego, wysokoenergetycznego spektrometru mas akceleratora jest doskonała selektywność detektora, która wynika z jonów o 1000 razy większej energii niż jakakolwiek wcześniej dostępna maszyna. Konwencjonalne spektrometry masowe mają trudności z pomiarem abundancji mniejszych niż sto tysięcznych izotopu odniesienia, ponieważ jony zakłócające są rozproszone w miejscu analizatora, w którym ma być poszukiwany izotop o niskiej obfitości. Ekstremalne środki ostrożności w zakresie wysokiej próżni i zapobiegania rozpryskom mogą to poprawić 10-krotnie, ale nie wymaganym 100-krotnie. Akcelerator cierpi z powodu tej wady w jeszcze większym stopniu, a duże ilości jonów „śmieciowych” znajdują się w oczekiwanym miejscu analizatora kosmogenicznego izotopu. Zdolność niektórych rodzajów detektorów cząstek jądrowych do jednoznacznej identyfikacji odpowiedniego jonu umożliwia spektrometru mas akceleratora przezwyciężyć tę wadę i działać jako potężne narzędzie analityczne.

Działanie tandemowego akceleratora elektrostatycznego

Tandemowy akcelerator elektrostatyczny (patrz akcelerator cząstek: generatory Van de Graaffa) szybko wyparł wszystkie inne maszyny do tego celu, przede wszystkim dlatego, że jego źródło jonów, opisane powyżej źródło rozpylania cezu, znajduje się w pobliżu potencjału gruntu i jest łatwo dostępne do zmiany próbek. Jony muszą być ujemne, ale nie stanowi to utrudnienia, ponieważ można je łatwo i wydajnie wytwarzać. Przed wejściem do rurki wysokiego napięcia jony są analizowane masowo, tak że tylko wiązka pojawiająca się w miejscu masy izotopu kosmogenicznego wchodzi do akceleratora; intensywna referencyjna wiązka izotopowa jest często mierzona w tym miejscu bez wchodzenia do akceleratora. Kosmogeniczna wiązka izotopowa jest przyciągana do wysokonapięciowego zacisku maszyny, gdzie zderzenia z gazem lub cienką folią węglową lub oba usuwają różne liczby elektronów, pozostawiając w ten sposób przedmiotowy izotop z rozkładem wielu dodatnich stanów ładunku, które są odpychane przez dodatnio naładowany terminal. Wszystkie jony molekularne są rozbite. Wychodząca wiązka przechodzi następnie przez pola analiz, których magnes o wysokiej dyspersji jest główną częścią. Po opuszczeniu analizatora wiązka wchodzi do detektora. Każdy jon jest badany indywidualnie w sposób umożliwiający ustalenie jego tożsamości. Najczęstszym sposobem osiągnięcia tego jest użycie kombinacji dwóch detektorów cząstek: jeden detektor mierzy szybkość, z jaką cząstka traci energię, gdy przechodzi przez daną długość materii, podczas gdy drugi mierzy jednocześnie całkowitą energię cząstki. Zliczenia są przechowywane w pojemnikach dwuwymiarowego układu komputerowego, którego współrzędne są określone przez amplitudy sygnałów z dwóch detektorów. Liczne jony „śmieciowe” przyjmują wartości z dwóch detektorów, które wypełniają regiony tablicy danych, ale ogólnie nie pokrywają się z dobrze zdefiniowanym regionem zajmowanym przez przedmiotowy jon. Każdy rodzaj izotopu wymaga specjalnie zaprojektowanego układu detektora z różnymi dodatkowymi polami analizującymi, a w niektórych przypadkach nawet z wykorzystaniem technik czasu przelotu. Schemat ideowy akceleratora spektrometru mas pokazano na rysunku 8.