Masių spektrometrija

Greitintuvo masės spektrometrija

Plėtra

Dalelių greitintuvus, naudojamus branduolinėje fizikoje, galima laikyti gana iškreiptų formų masių spektrometrais, tačiau visada yra trys pagrindiniai elementai - jonų šaltinis, analizatorius ir detektorius. LW Alvarezas ir Robertas Cornogas iš JAV pirmą kartą panaudojo greitintuvą kaip masės spektrometrą 1939 m., Kai panaudojo ciklotroną, kad parodytų, kad helio-3 (³ He) yra stabilūs, o ne vandenilio-3 (^3).H), tuo metu svarbus branduolinės fizikos klausimas. Jie taip pat parodė, kad helis-3 yra natūralaus helio sudedamoji dalis. Jų metodas buvo toks pat, kaip aprašyta aukščiau omegatronui, išskyrus tai, kad buvo naudojamas viso dydžio ciklotronas ir jis lengvai atskyrė du izotopus. Šis metodas nebuvo naudojamas vėl beveik 40 metų; tačiau jis rastas panaudojant matuojant kosmogeninius izotopus - radioizotopus, kuriuos gamina kosminiai spinduliai, patekę į Žemę ar planetinius objektus. Šie izotopai yra nepaprastai reti, jų atitinkamame sausumos elemente yra maždaug milijono milijoninės dalies, o tai izotopų santykis gerokai viršija įprastų masės spektrometrų galimybes. Jei kosmogeninio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra palyginti trumpas, pavyzdžiui, berilio-7 (⁷ Be; 53 dienos) arba anglies-14 (¹⁴ C; 5730 metų), jo koncentracija mėginyje gali būti nustatyta radioaktyviųjų medžiagų skaičiavimu; bet jei pusinės eliminacijos laikas yra ilgas, pavyzdžiui, berilio-10 (¹⁰ Be; 1,5 milijono metų) arba chloro-36 (³⁶ Cl; 0,3 milijono metų), tokia eiga neveiksminga. Didelio, didelės energijos greitintuvo masės spektrometro pranašumas yra didelis detektoriaus selektyvumas, atsirandantis dėl jonų, turinčių 1000 kartų daugiau energijos, nei galėtų suteikti bet kurie anksčiau turimi aparatai. Įprastiems masės spektrometrams sunku išmatuoti mažesnį nei šimto tūkstantosios dalies etaloninio izotopo kiekį, nes trukdantys jonai yra išsibarstę analizatoriaus vietoje, kur reikia ieškoti mažo izotopo gausos. Didelio vakuumo ir užkertančio kelią atsargumo priemonės gali tai pagerinti ne dešimteriopai, bet ne 100 milijonų. Akseleratorius dar labiau kenčia nuo šio trūkumo, o numatytoje kosmogeninio izotopo analizatoriaus vietoje yra dideli „šiukšlių“ jonų kiekiai. Tam tikrų rūšių branduolinių dalelių detektorių galimybė vienareikšmiškai identifikuoti atitinkamą joną įgalina greitintuvo masės spektrometrą įveikti šį trūkumą ir veikti kaip galinga analizės priemonė.

Tandeminio elektrostatinio greitintuvo veikimas

Tandeminis elektrostatinis greitintuvas (žr. Dalelių greitintuvą: „Van de Graaff“ generatoriai) šiam tikslui greitai pakeitė visas kitas mašinas, visų pirma todėl, kad jo jonų šaltinis, aukščiau aprašytas cezio dulkinimo šaltinis, yra netoli žemės potencialo ir yra lengvai prieinamas keičiant pavyzdžius. Jonai turi būti neigiami, tačiau tai neįrodo kliūčių, nes jie lengvai ir efektyviai gaminami. Prieš įeinant į aukštosios įtampos vamzdį, jonai masiškai analizuojami taip, kad į greitintuvą patektų tik kūnas, atsirandantis kosmogeninio izotopo masės vietoje; šioje vietoje dažnai matuojamas intensyvus etaloninis izotopo pluoštas, niekur neįvažiuojant į akceleratorių. Kosmogeninis izotopo pluoštas pritraukiamas prie mašinos aukštosios įtampos gnybto, kur susidūrimai su dujomis ar plona anglies folija ar abiem juostelėmis riboja įvairius elektronus, tokiu būdu paliekamas tiriamojo izotopas pasiskirstęs keliomis teigiamo krūvio būsenomis, kurias atstumia teigiamai įkrautas terminalas. Visi molekuliniai jonai yra suskaidomi. Tada kylanti sija praeina analizuodama laukus, kurių pagrindinė dalis yra aukštos dispersijos magnetas. Išėjus iš analizatoriaus, spindulys patenka į detektorių. Kiekvienas jonas tiriamas atskirai taip, kad būtų galima nustatyti jo tapatumą. Dažniausiai tai galima padaryti naudojant dviejų dalelių detektorių derinį: vienas detektorius matuoja greitį, kuriuo dalelė praranda energiją, eidama per nustatytą ilgį medžiagos, o kitas tuo pat metu matuoja bendrą dalelės energiją. Skaičiai kaupiami dvimatės kompiuterinės masyvo dėžėse, kurių koordinatės nurodomos iš dviejų detektorių gaunamų signalų amplitudės. Daugybė „šiukšlių“ jonų įgyja vertes iš dviejų detektorių, kurie užpildo duomenų masyvo sritis, tačiau paprastai jie nesutampa su tiksliai apibrėžtu regionu, kurį užima tiriamasis jonas. Kiekvienam izotopo tipui reikalinga specialiai sukurta detektorių sistema su įvairiais papildomais analizės laukais ir kai kuriais atvejais netgi skrydžio laiko metodais. Akseleratoriaus masės spektrometro schema parodyta 8 paveiksle.