Massaspektrometria

Kiihdyttimen massaspektrometria

kehitys

Ydinfysiikassa käytettyjä hiukkaskiihdyttimiä voidaan pitää massaspektrometreinä melko vääristyneissä muodoissa, mutta kolme pääelementtiä - ionilähde, analysaattori ja ilmaisin - ovat aina läsnä. LW Alvarez ja Robert Cornog Yhdysvalloista käyttivät ensin kiihdytinä massaspektrometrinä vuonna 1939, kun he käyttivät syklotronia osoittaakseen, että helium-3 (³ He) oli stabiili kuin vety-3 (^3).H), tärkeä kysymys ydinfysiikassa tuolloin. He osoittivat myös, että helium-3 oli luonnollisen heliumin ainesosa. Niiden menetelmä oli sama kuin yllä kuvattiin omegatronille, paitsi että käytettiin täysikokoista syklotronia, ja se erotti helposti kaksi isotooppia. Menetelmää ei käyty uudestaan ​​lähes 40 vuotta; se on kuitenkin löytänyt sovelluksen kosmogeenisten isotooppien, kosmisten säteilyjen tuottamien radioisotooppien mittaamiseen maapallolla tai planeettakohteisiin. Nämä isotoopit ovat erittäin harvinaisia, ja niillä on runsaasti miljoona miljoonasosaa vastaavasta maanpäällisestä elementistä, mikä on isotooppisuhde kaukana normaalien massaspektrometrien ominaisuuksista. Jos kosmogeenisen isotoopin puoliintumisaika on suhteellisen lyhyt, kuten beryllium-7 (⁷ Be; 53 päivää) tai hiili-14 (^{14 °} C; 5730 vuotta), sen pitoisuus näytteessä voidaan määrittää radioaktiivisella laskemalla; mutta jos puoliintumisaika on pitkä, kuten beryllium-10 (¹⁰ Be; 1,5 miljoonaa vuotta) tai kloori-36 (³⁶ Cl; 0,3 miljoonaa vuotta), tällainen kulku on tehoton. Suuren, korkeaenergisen kiihdyttimen massaspektrometrin etuna on suuri ilmaisimen selektiivisyys, joka johtuu ioneista, joilla on 1 000 kertaa enemmän energiaa kuin mikään aikaisemmin saatavilla oleva kone voisi tarjota. Tavanomaisilla massaspektrometreillä on vaikeuksia mitata pienempiä kuin sadantuhannesosan vertailusotoopin pitoisuudet, koska häiritsevät ionit ovat hajallaan analysaattorin sijaintiin, josta halutaan etsiä vähäpitoista isotooppia. Äärimmäisen tyhjiön ja tarttuvuuden estävien varotoimenpiteiden avulla voidaan parantaa tätä kertoimella 10, mutta ei vaaditulla 100 miljoonalla kertoimella. Kiihdytin kärsii tästä puutteesta vielä suuremmassa määrin, ja kosmogeenisen isotoopin odotettavissa olevaan analysaattoripaikkaan löytyy suuria määriä "roska" ioneja. Tietyntyyppisten ydinhiukkasilmaisimien kyky tunnistaa asiaankuuluva ioni yksiselitteisesti mahdollistaa kiihdyttimen massaspektrometrin voittaa tämän puutteen ja toimia tehokkaana analyyttisenä työkaluna.

Tandem-sähköstaattisen kiihdyttimen toiminta

Tandemaattisella sähköstaattisella kiihdyttimellä (katso hiukkaskiihdytin: Van de Graaffin generaattorit) siirrettiin nopeasti kaikki muut koneet tätä tarkoitusta varten ensisijaisesti siksi, että sen ionilähde, edellä kuvattu cesiumrutkastilähde, sijaitsee lähellä maan potentiaalia ja on helposti tavoitettavissa näytteiden vaihtamiseen. Ionien on oltava negatiivisia, mutta tämä ei osoita haitoksi, koska ne tuotetaan helposti ja tehokkaasti. Ennen pääsyä korkeajänniteputkeen ionit analysoidaan massalla siten, että vain kosmogeenisen isotoopin massapaikkaan nouseva säde tulee kiihdyttimeen; voimakas vertailusotooppisäde mitataan usein tässä paikassa menemättä ilman kaasua. Kosmogeeninen isotooppisäde houkuttelee koneen korkeajännitepäätteeseen, jossa törmäykset kaasun tai ohuen hiilikalvon tai molempien kanssa eristävät useita elektronimääriä, jättäen siten kohteen isotoopin jakautumaan useisiin positiivisen varauksen tiloihin, jotka positiivisesti ladattu pääte. Kaikki molekyyli-ionit hajoavat. Sitten syntyvä säde kulkee analysoimalla kenttiä, joiden pääosa on korkeaperspektiivinen magneetti. Poistuessaan analysaattorista, säde menee ilmaisimeen. Jokainen ioni tutkitaan erikseen tavalla, joka mahdollistaa sen identiteetin selvittämisen. Yleisin tapa tehdä tämä on käyttää kahden hiukkasilmaisimen yhdistelmää: yksi ilmaisin mittaa nopeutta, jolla partikkeli menettää energiaa kuljettaessaan tietyn pituisen aineen, ja toinen samanaikaisesti mittaa hiukkasen kokonaisenergian. Laskelmat tallennetaan kaksiulotteisen tietokonesarjan lokeroihin, joiden koordinaatit annetaan kahden ilmaisimen signaalien amplitudilla. Lukuisat "roskakori" -ionit ottavat arvoja kahdesta ilmaisimesta, jotka täyttävät tietojoukon alueet, mutta eivät yleensä ole päällekkäisiä kohdeionin käyttämän hyvin määritellyn alueen kanssa. Jokainen isotooppi vaatii erityisesti suunniteltua ilmaisinjärjestelmää, jolla on erilaisia ​​lisäanalyysikentiä ja joissakin tapauksissa jopa lentoajan tekniikoita. Kaaviokaavio kiihdyttimen massaspektrometristä on esitetty kuvassa 8.