Ускорителна масспектрометрия
развитие
Ускорителите на частици, използвани в ядрената физика, могат да се разглеждат като масспектрометри с доста изкривени форми, но трите основни елемента - източникът на йони, анализаторът и детекторът - винаги присъстват. LW Alvarez и Robert Cornog от Съединените щати за първи път използват ускорител като масспектрометър през 1939 г., когато използват циклотрон, за да демонстрират, че хелий-3 (3 He) е стабилен, а не водород-3 (3З), важен въпрос в ядрената физика по онова време. Те също показаха, че хелий-3 е съставна част на естествения хелий. Техният метод беше същият като описания по-горе за омегатрон, с изключение на това, че се използва пълноценен циклотрон и той лесно разграничава двата изотопа. Методът не се използва отново близо 40 години; той обаче намери приложение в измерването на космогенни изотопи, радиоизотопите, произведени от космически лъчи, падащи на Земята или планетарни обекти. Тези изотопи са изключително редки и имат изобилие от порядъка на един милион милионна част от съответния наземен елемент, което е изотопно съотношение, далеч над възможностите на нормалните масспектрометри. Ако полуживотът на космогенен изотоп е сравнително кратък, като берилий-7 (7 Be; 53 дни) или въглерод-14 (14 C; 5 730 години), концентрацията му в пробата може да бъде определена чрез радиоактивно преброяване; но ако полуживотът е дълъг, като берилий-10 (10 Be; 1,5 милиона години) или хлор-36 (36 Cl; 0,3 милиона години), такъв курс е неефективен. Предимството на големия високоенергиен ускорителен масспектрометър е голямата селективност на детектора, която се получава от йони, имащи 1000 пъти повече енергия, отколкото всяка налична по-рано машина. Конвенционалните мас-спектрометри имат затруднения при измерването на изобилията, по-малки от сто хиляди от референтния изотоп, тъй като интерференционните йони се разпръскват в мястото на анализатора, където трябва да се търси изотопът с ниско изобилие. Крайните предпазни мерки срещу висок вакуум и анти-разсейване могат да подобрят това с коефициент 10, но не и необходимия коефициент от 100 милиона. Ускорителят страда от този дефект в още по-голяма степен и на очакваното местоположение на анализатора на космогенния изотоп се откриват големи количества „боклук” йони. Способността на някои видове детектори за ядрени частици да идентифицират съответния йон недвусмислено позволява на ускорителния масспектрометър да преодолее този недостатък и да функционира като мощен аналитичен инструмент.
Работа на тандемния електростатичен ускорител
Тандемният електростатичен ускорител (вж. Ускорител на частици: генератори на Ван де Грааф) бързо измести всички останали машини за тази цел, предимно защото неговият източник на йони, източникът на разпръскване на цезий, описан по-горе, се намира в близост до потенциала на земята и е лесно достъпен за промяна на проби. Йоните трябва да са отрицателни, но това не се оказва недъг, тъй като те се произвеждат лесно и ефективно. Преди да влязат в тръбата с високо напрежение, йоните се анализират масово, така че само лъчът, излизащ на мястото на масата на космогенния изотоп, влиза в ускорителя; интензивният референтен изотопен лъч често се измерва на това място, без изобщо да влиза в ускорителя. Космогенният изотопен лъч е привлечен към терминала с високо напрежение на машината, където се сблъскват с газ или тънка въглеродна фолио или и двете ленти с различни числа електрони, като по този начин се оставя обектът на изотоп с разпределение на множество положителни зарядни състояния, които се отблъскват от положително зареден терминал. Всички молекулярни йони се разпадат. След това възникващият лъч преминава през анализиращи полета, от които основна част е магнитът с висока дисперсия. След излизане от анализатора лъчът влиза в детектора. Всеки йон се изследва индивидуално по начин, който позволява да се установи неговата идентичност. Най-разпространеният начин за това е чрез използване на комбинация от два детектора за частици: единият детектор измерва скоростта, с която частицата губи енергия при преминаване на дадена дължина на материята, докато другият едновременно измерва общата енергия на частицата. Броячите се съхраняват в контейнерите на двуизмерен компютърен масив, координатите на които са дадени от амплитудите на сигналите от двата детектора. Многобройните "боклук" йони приемат стойности от двата детектора, които запълват области от масива от данни, но като цяло не припокриват добре дефинирания регион, зает от предметния йон. Всеки вид изотоп изисква специално разработена детекторна система с различни допълнителни полета за анализ и в някои случаи дори използване на техники за полет. Принципна схема на мас ускорителен спектрометър е показана на фигура 8.
