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1、练邀与,论加速器质谱及应用刘克新《北京大学物理学院重离子物理研究所教育部重离子物理重点实验室北京,00871)、摘要本文简要介绍现代核分析技术加速器质谱的基本原理技术发展以及在地、、—。球科学考古学环境科学和生命科学中的应用关键词加速器质谱测量精度灵敏度同量异位素分离引言受的测量精度,要求被测样品的同位素丰度不能太,。低从而限制测量灵敏度加速器质谱则采用类似加速器质谱(AMS)是上世纪70年代末发展起来,,普通质谱的方法直接对放射性核素原子进行记数的基于粒子加速器的一项现代核分析技术主要用,‘Oe、‘4、26、’‘
2、、”,从而大大提高探测效率所需要的样品量只要lmg于检测自然界中丰度极低的BeAzezI。,左右与普通质谱计不同的是加速器质谱计通过串等长寿命放射性核素一般通过测量放射性核素与eV。列静电加速器将离子加速到兆电子伏(M)量其稳定同位素的比值进行断代或示踪研究加速器,,、级可有效抑制分子离子和同量异位素干扰使测质谱具有测量灵敏度高所需样品量小和测量效率一。10”,、、量灵敏度达到以上串列静电加速器采用剥高的优点在考古学地球科学环境科学和生命科,。离技术提高被加速离子的能量该技术在加速器质学等领域中具有十分广泛的应用。
3、,MeV级,谱中可用于消除分子离子干扰在能量下加速器质谱技术最早出现于核物理实验室1977年Mule:提出用回旋加速器检测长寿命放射负分子离子经过剥离器后形成的正离子通常是不稳,。,‘,c-定的很快离解并被加速器后面的分析器分离加性核素的原理并成功地测量H稍后加拿大M:Master大学和美国Rochester大学的两组科学家同速器质谱对同量异位素的抑制体现在以下几个方面’4’4时报道用加速器质谱技术对’4c的成功测量2,,,他¹某些核素的同量异位素(如c的同量异位素N),。,不能形成负离子因此对这些核素来说加速器质
4、谱采们所用的是串列静电加速器此后加速器质谱不;断发展,目前世界上约有50台加速器质谱装置,用负离子源本身就完全消除同量异位素干扰º加速。器质谱采用的重离子探测器具有鉴别不同核素的功每年测量数以万计的样品我国目前开展加速器质,’“e‘“、能对于较轻核素的同量异位素(如B和B)具有谱工作的单位有北京大学中国原子能科学院和中、;。较好分离作用»在较高能量下还可采用全剥离射科院上海原子核研究所、程吸收充气磁铁和特征X射线测量等同量异位素分1基本原理。离技术加速器质谱计一般由离子源、注人系统、加速由于世界上绝大多数加速器质谱
5、装置所用的加、、。,器高能分析系统探测器和数据获取系统组成速器为串列静电加速器本文只简要介绍这类加速。1,图为北京大学加速器质谱装置器质谱的基本原理关于加速器质谱原理的详细描。述见参考文献仁4」11.!l曰⋯1从‘头目目目J达测量放射性核素丰度的传统方法为常规衰变记数法,即通过累积测量放射性核素衰变产生的次级。粒子数推算其丰度比这种方法对于测量长寿命放射性核素具有很大的局限性,主要表现在需要的样,。‘呜,品量大测量时间长对半衰期为5730年的c厂C法拉第杯,1一109图1典型加速器质谱系统示意图被测样品一般需含碳测
6、量数天甚至几周。,’“e’6的时间这一方法的探测对半衰期更长的BAI离子源通常采用一次可装多个样品的艳溅射负,、,离子源这种离子源具有引出束流强度较大束流等核素效率更低为在合理测量时间内达到可以接砚代位器、、,发射度小稳定性好样品之间相互干扰小等优在样品转变为负离子过程和剥离过程如果系统传。,点被测样品经过化学流程后制成单质或化合物粉输效率低束流损失较大也会引起一定程度的分,。。,末样品粉末被压实在样品座里在艳正离子的轰馏因此加速器质谱主要采用相对测量的方式即,,击下样品原子或分子溅射出表面其中一部分形通过测量已知
7、同位素丰度比的标准样品对待测样品。,。成负离子并被电场引出进行校正以得到待测样品的真实的同位素比值、注人系统一般由磁分析器交替注人系统和预2。技术发展加速管组成磁分析器的作用是对从离子引出的离子流进行初步质量分析,在注人待测放射性核素时加速器质谱问世以来,经过20多年的发展,,、、尽可能抑制其稳定同位素的强峰拖尾有些加速器测量精度灵敏度测量效率等方面都有很大提,,可测。质谱为提高注人系统的分析能力常增加一个静电高量核素范围也不断扩大分析器进行能量选择。加速器质谱所要测量的通常2.1测量精度,’4c是放射性核素与其稳
8、定同位素的比值因此需将两利用确定样品年代是科技考古中十分重要。,’4种或三种同位素交替注人到加速器中通常不用改的手段因此对加速器质谱C测量精度提出了较,。变磁分析器磁场的方法实现交替注人而是通过在高的要求提高测量精度的关键在于提高系统的稳与其他部分绝缘的磁铁真空盒上交替加不同幅度的定性,尽量减小各种时变效应,进行高精度测量的,,。高电压来实现即使不同质量的离
