Φασματομετρία μάζας

Φασματομετρία μάζας επιταχυντή

Ανάπτυξη

Οι επιταχυντές σωματιδίων που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική φυσική μπορούν να θεωρηθούν ως φασματόμετρα μάζας μάλλον παραμορφωμένων μορφών, αλλά τα τρία κύρια στοιχεία - η πηγή ιόντων, ο αναλυτής και ο ανιχνευτής - είναι πάντα παρόντα. Οι LW Alvarez και Robert Cornog των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά έναν επιταχυντή ως φασματόμετρο μάζας το 1939 όταν χρησιμοποίησαν ένα κυκλοτρόνιο για να αποδείξουν ότι το ήλιο-3 (³ He) ήταν σταθερό και όχι υδρογόνο-3 (³Η), ένα σημαντικό ζήτημα στην πυρηνική φυσική εκείνη την εποχή. Έδειξαν επίσης ότι το ήλιο-3 ήταν συστατικό του φυσικού ηλίου. Η μέθοδος τους ήταν η ίδια με αυτήν που περιγράφηκε παραπάνω για το omegatron εκτός από το ότι χρησιμοποιήθηκε ένα πλήρους μεγέθους κυκλοτρόνιο και διέκρινε εύκολα τα δύο ισότοπα. Η μέθοδος δεν χρησιμοποιήθηκε ξανά για σχεδόν 40 χρόνια. Ωστόσο, έχει βρει εφαρμογή στη μέτρηση των κοσμογόνων ισοτόπων, τα ραδιοϊσότοπα που παράγονται από κοσμικές ακτίνες που συμβαίνουν στη Γη ή σε πλανητικά αντικείμενα. Αυτά τα ισότοπα είναι εξαιρετικά σπάνια, με αφθονία της τάξης του ενός εκατομμυρίου εκατομμυρίων του αντίστοιχου χερσαίου στοιχείου, το οποίο είναι ένας ισοτοπικός λόγος που υπερβαίνει τις δυνατότητες των φασματομέτρων κανονικής μάζας. Εάν ο χρόνος ημιζωής ενός κοσμογονικού ισότοπου είναι σχετικά σύντομος, όπως το βηρύλλιο-7 (⁷ Be; 53 ημέρες) ή ο άνθρακας-14 (¹⁴ C, 5.730 έτη), η συγκέντρωσή του σε ένα δείγμα μπορεί να προσδιοριστεί με ραδιενεργό υπολογισμό. αλλά εάν ο χρόνος ημιζωής είναι μακρύς, όπως το βηρύλλιο-10 (¹⁰ Be; 1,5 εκατομμύρια χρόνια) ή το χλώριο-36 (³⁶ Cl; 0,3 εκατομμύρια χρόνια), μια τέτοια πορεία δεν είναι αποτελεσματική. Το πλεονέκτημα του μεγάλου φασματόμετρου μάζας επιταχυντή υψηλής ενέργειας είναι η μεγάλη επιλεκτικότητα του ανιχνευτή που προκύπτει από τα ιόντα που έχουν 1.000 φορές περισσότερη ενέργεια από ό, τι μπορεί να προσφέρει κάθε προηγουμένως διαθέσιμη μηχανή. Τα συμβατικά φασματόμετρα μάζας δυσκολεύονται να μετρήσουν αφθονίες μικρότερες από εκατό χιλιοστό του ισότοπου αναφοράς, επειδή τα παρεμβαλλόμενα ιόντα διασκορπίζονται στη θέση του αναλυτή όπου πρέπει να αναζητηθεί το ισότοπο χαμηλής αφθονίας. Ακραίες προφυλάξεις υψηλού κενού και αντιδιαστολής μπορούν να βελτιώσουν αυτό με έναν συντελεστή 10 αλλά όχι τον συντελεστή των 100 εκατομμυρίων που απαιτείται. Ένας επιταχυντής πάσχει από αυτό το ελάττωμα σε ακόμη μεγαλύτερο βαθμό και μεγάλες ποσότητες ιόντων «σκουπιδιών» βρίσκονται στην αναμενόμενη θέση του αναλυτή του κοσμογονικού ισότοπου. Η ικανότητα ορισμένων ειδών ανιχνευτών πυρηνικών σωματιδίων να αναγνωρίζουν το σχετικό ιόν επιτρέπει σαφώς στο φασματόμετρο μάζας του επιταχυντή να ξεπεράσει αυτό το μειονέκτημα και να λειτουργήσει ως ένα ισχυρό αναλυτικό εργαλείο.

Λειτουργία του παράλληλου ηλεκτροστατικού επιταχυντή

Ο διαδοχικός ηλεκτροστατικός επιταχυντής (βλέπε επιταχυντή σωματιδίων: γεννήτριες Van de Graaff) εκτόπισε γρήγορα όλες τις άλλες μηχανές για το σκοπό αυτό, κυρίως επειδή η πηγή ιόντων της, η πηγή ψεκασμού καισίου που περιγράφεται παραπάνω, βρίσκεται κοντά στο δυναμικό του εδάφους και είναι εύκολα προσβάσιμη για την αλλαγή δειγμάτων. Τα ιόντα πρέπει να είναι αρνητικά, αλλά αυτό δεν αποδεικνύεται μειονέκτημα καθώς παράγονται εύκολα και αποτελεσματικά. Πριν εισέλθουν στον σωλήνα υψηλής τάσης, τα ιόντα αναλύονται μαζικά έτσι ώστε μόνο η δέσμη που αναδύεται στη θέση μάζας του κοσμογονικού ισότοπου να εισέρχεται στον επιταχυντή. η έντονη δέσμη ισοτόπων αναφοράς συχνά μετράται σε αυτήν τη θέση χωρίς να εισέλθει καθόλου στον επιταχυντή. Η κοσμογονική δέσμη ισοτόπων προσελκύεται στον ακροδέκτη υψηλής τάσης της μηχανής όπου συγκρούεται με αέριο ή λεπτό φύλλο άνθρακα ή και οι δύο λωρίδες διάφορους αριθμούς ηλεκτρονίων, αφήνοντας έτσι το υποκείμενο ισότοπο με κατανομή πολλαπλών καταστάσεων θετικής φόρτισης που απωθούνται από το θετικά φορτισμένο τερματικό. Όλα τα μοριακά ιόντα χωρίζονται. Στη συνέχεια, η αναδυόμενη δέσμη περνά μέσα από τα πεδία ανάλυσης των οποίων το κύριο μέρος είναι ένας μαγνήτης υψηλής διασποράς. Φεύγοντας από τον αναλυτή, η δέσμη μπαίνει στον ανιχνευτή. Κάθε ιόν εξετάζεται ξεχωριστά με τρόπο που επιτρέπει την αναγνώριση της ταυτότητάς του. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για να γίνει αυτό είναι με τη χρήση ενός συνδυασμού δύο ανιχνευτών σωματιδίων: ένας ανιχνευτής μετρά το ρυθμό με τον οποίο το σωματίδιο χάνει ενέργεια όταν περνά ένα δεδομένο μήκος της ύλης, ενώ ο άλλος μετρά ταυτόχρονα τη συνολική ενέργεια του σωματιδίου. Οι μετρήσεις αποθηκεύονται στους κάδους μιας δισδιάστατης συστοιχίας υπολογιστών, οι συντεταγμένες των οποίων δίδονται από τα πλάτη των σημάτων από τους δύο ανιχνευτές. Τα πολυάριθμα ιόντα απορριμμάτων λαμβάνουν τιμές από τους δύο ανιχνευτές που γεμίζουν περιοχές της συστοιχίας δεδομένων, αλλά γενικά δεν επικαλύπτουν την καλά καθορισμένη περιοχή που καταλαμβάνεται από το ιόν του θέματος. Κάθε είδος ισότοπου απαιτεί ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα ανιχνευτή με διάφορα πρόσθετα πεδία ανάλυσης και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και τη χρήση τεχνικών χρόνου πτήσης. Ένα σχηματικό διάγραμμα ενός φασματόμετρου μάζας επιταχυντή φαίνεται στο σχήμα 8.