加速器质光谱法

发展

粒子加速器用于核物理可以看作是一种扭曲形式的质谱仪，但三个主要元素——离子源、分析仪和探测器——始终存在。l阿尔瓦雷斯和罗伯特。Cornog的美国第一次使用加速器作为质量谱仪1939年，他们雇佣了一名回旋加速器为了证明氦- 3（^3.He)比氢-3 (^3.H)，这是当时核物理学界的一个重要问题。他们还表明氦-3是一种组成天然氦。他们的方法与上面描述的omegatron的方法相同，只是使用了一个全尺寸的回旋加速器，很容易区分这两种同位素。这种方法在近40年里没有被再次使用;然而，它在测量中得到了应用宇宙成因核素是宇宙射线照射到地球或行星物体上产生的放射性同位素。这些同位素极为罕见，其丰度约为相应陆地元素的十亿分之一，这是一个远远超过地球的同位素比率功能普通质谱仪。如果宇宙成因同位素的半衰期相对较短，例如铍-7 (⁷是什么;53天)或碳-14 (¹⁴C;5730年)，其在样品中的浓度可以通过放射性计数来确定;但如果半衰期较长，如铍-10 (¹⁰是什么;150万年)或氯-36 (³⁶Cl;30万年)，这样的路线是无效的。大型高能加速器质谱计的优点是探测器的高选择性，这是由于离子的能量比以前任何可用的机器所能提供的能量高出1000倍。传统的质谱仪很难测量小于参考同位素的十万分之一的丰度，因为干扰离子分散到要寻找低丰度同位素的分析器位置。极端的高真空和防散射预防措施可以使这一系数提高10倍，但不能提高所需的1亿倍。加速器遭受这种缺陷的程度甚至更大，大量的“垃圾”离子在宇宙成因同位素的预期分析仪位置被发现。某些类型的核粒子探测器能够明确地识别相关的离子，这使得加速器质谱仪克服了这一缺点，并发挥了强大的功能分析工具。

操作串联静电加速器

串联静电加速器(见粒子加速器:范德格拉夫发电机)迅速取代了所有其他机器，主要是因为它的离子源，即上文所述的铯溅射源，位于地面电位附近，易于更换样品。离子必须是负离子，但这并不是一个障碍，因为它们很容易和有效地产生。在进入高压管之前，对离子进行质量分析，以使只有梁在宇宙成因同位素的质量位置出现，进入加速器;强烈的参考同位素束通常在这个位置测量，而根本没有进入加速器。宇宙成因同位素束被吸引到机器的高压端，在那里与气体或薄碳箔或两者带不同数目电子，从而使主体同位素具有多个正的分布负责被带正电的末端排斥的状态。所有的分子离子都被分解了。然后入射光束通过以高色散磁体为主体的分析场。离开分析仪后，光束进入探测器。每一个离子以一种允许确定其身份的方式单独检查。最常见的方法是使用两个粒子探测器的组合:一个探测器测量粒子通过给定长度的物质时损失能量的速率，而另一个同时测量粒子的总能量。计数被存储在一个二维计算机的箱子里数组，其坐标由两个探测器发出的信号幅值给出。大量的“垃圾”离子从两个探测器中获取值，填充数据阵列的区域，但通常不会与被主体离子占据的定义良好的区域重叠。每一种同位素都需要一个专门设计的探测器系统，有各种额外的分析场，在某些情况下，甚至需要使用飞行时间技术。加速器质谱仪的原理图图8．

应用程序

加速器方法开辟了以前无法进入的研究领域。对发明者来说，一个强大的动力是改进放射性碳年代测定法．科学家们现在能够从更小的样本中确定年龄，并且比放射性计数要快得多，但碳14被证明是一个比其他宇宙成因同位素更难的仪器开发问题。该方法几乎立即应用于分析铍-10和氯-36，铝-26 (²⁶Al)、钙-41 (⁴¹Ca)和碘-129 (¹²⁹I)紧随其后;这五个项目都取得了显著的成就。宇宙撞击大气层的射线是铍-10，碳-14，还有氯-36，它们沉积在雨雪中，从那里它们可以迁移。自从地球构造的板块构造理论被普遍接受以来，关于岛弧火山熔岩来源的问题一直存在争议，但在这些熔岩中发现铍-10后，这个问题得到了解决。铍-10的存在证明，富含同位素的深海沉积物曾被俯冲(也就是说,在一个下降的构造板块的表面上，在另一个这样的板块下面)，一些沉积物并入了岩浆。氯-36的首次应用是古代地下水迁移的研究。后来仪器技术的改进增加了碘-129作为一种必需的示踪剂，以解决这一具有挑战性的问题。在海洋基地进行的核弹试验产生了大量的氯-36，这些氯-36被注入大气层。几年来，雨水中含有的这种同位素的水平比宇宙成因的水平高出1000倍。这产生了追踪器一种具有明确起源时间的追踪器，在将来很长一段时间内对追踪此类事件的进程是有用的水在土壤和含水层(含水的岩石层)中。这些同位素中最轻的四种已被证明在确定陨石和月球样本的年龄和辐照历史方面很有用。人们对极地冰芯和海洋沉积物中的铍-10进行了广泛的研究，这些研究提供了关于过去数百万年宇宙射线强度的独特信息。

约翰·赫伯特·贝农 路易斯·布朗