Massespektrometri

Accelerator-massespektrometri

Udvikling

De partikelacceleratorer, der bruges i nukleær fysik, kan ses som massespektrometre af temmelig forvrængede former, men de tre hovedelementer - ionkilden, analysatoren og detektoren - er altid til stede. LW Alvarez og Robert Cornog fra De Forenede Stater brugte først en accelerator som massespektrometer i 1939, da de anvendte en cyclotron for at demonstrere, at helium-3 (³ He) var stabil snarere end hydrogen-3 (³H), et vigtigt spørgsmål i den nukleare fysik på det tidspunkt. De viste også, at helium-3 var en bestanddel af naturligt helium. Deres metode var den samme som beskrevet ovenfor for omegatronen bortset fra at der blev anvendt en cyclotron i fuld størrelse, og den let skelne mellem de to isotoper. Metoden blev ikke anvendt igen i næsten 40 år; det har dog fundet anvendelse i måling af kosmogene isotoper, radioisotoper produceret af kosmiske stråler, der er angrebet på Jorden eller planetariske objekter. Disse isotoper er ekstremt sjældne og har overflod i størrelsesordenen en million milliontedel af det tilsvarende terrestriske element, hvilket er et isotopforhold langt ud over mulighederne for normale massespektrometre. Hvis halveringstiden for en kosmogen isotop er relativt kort, såsom beryllium-7 (⁷ Be; 53 dage) eller carbon-14 (¹⁴ C; 5,730 år), kan dens koncentration i en prøve bestemmes ved radioaktiv optælling; men hvis halveringstiden er lang, såsom beryllium-10 (¹⁰ Be; 1,5 millioner år) eller klor-36 (³⁶ Cl; 0,3 millioner år), er et sådant kursus ineffektivt. Fordelen ved det store spektrometer med høj energi-accelerator er den store detektorselektivitet, der er resultatet af ioner, der har 1.000 gange mere energi, end nogen tidligere tilgængelig maskine kunne give. Konventionelle massespektrometre har svært ved at måle forekomster, der er mindre end hundrede tusindedele af referenceisotopen, fordi interfererende ioner er spredt til analysatorens placering, hvor isotopen med lav forekomst skal søges. Ekstremer med høje vakuum og antispatterende forholdsregler kan forbedre dette med en faktor 10, men ikke den faktor på 100 millioner, der kræves. En accelerator lider i endnu større grad af denne defekt, og der findes store mængder “trash” -ioner på den forventede analysatorplacering af den kosmogene isotop. Visse slags nukleare partikeldetektorers evne til entydigt at identificere den relevante ion gør det muligt for acceleratorens massespektrometer at overvinde denne mangel og fungere som et kraftfuldt analytisk værktøj.

Betjening af den elektrostatiske tandemaccelerator

Den elektrostatiske tandemaccelerator (se partikelaccelerator: Van de Graaff-generatorer) flyttede hurtigt alle andre maskiner til dette formål, primært fordi dens ionkilde, den ovenfor beskrevne cesium-sputterkilde, er placeret nær jordpotentiale og er let tilgængelig til at skifte prøver. Ionerne skal være negative, men dette viser sig ikke at være et handicap, da de let og effektivt produceres. Inden man kommer ind i højspændingsrøret, analyseres ionerne, så at kun strålen, der kommer ud på massepladsen af ​​den kosmogene isotop, kommer ind i acceleratoren; den intense referenceisotopstråle måles ofte på dette sted uden overhovedet at komme ind i acceleratoren. Den kosmogene isotopstråle tiltrækkes af maskinens højspændingsterminal, hvor kollisioner med gas eller en tynd kulstoffolie eller begge striber forskellige antal elektroner, hvorved den pågældende isotop efterlades med en fordeling af flere positive ladningstilstande, der frastøttes af positivt ladet terminal. Alle molekylære ioner brydes op. Den fremvoksende stråle passerer derefter gennem analysefelter, som en magnet med høj spredning er den vigtigste del af. Når man forlader analysatoren, kommer bjælken ind i detektoren. Hver ion undersøges individuelt på en måde, der gør det muligt at etablere dens identitet. Den mest almindelige måde at gøre dette på er ved at bruge en kombination af to partikeldetektorer: en detektor måler den hastighed, hvormed partiklen mister energi, når den passerer en given længde stof, mens den anden samtidig måler den samlede energi af partiklen. Tællingerne gemmes i skraldespanden i en todimensionel computeropstilling, hvis koordinater er givet ved amplituderne af signalerne fra de to detektorer. De talrige “papirkurven” -ioner optager værdier fra de to detektorer, der udfylder regioner i datarrayet, men overlapper generelt ikke det veldefinerede område, der er optaget af den pågældende ion. Hver slags isotop kræver et specielt designet detektorsystem med forskellige yderligere analysefelter og i nogle tilfælde endda anvendelse af tid-for-flight-teknikker. Et skematisk diagram over et accelerator-massespektrometer er vist i figur 8.