質量分析

加速器質量分析

開発

核物理学で使用される粒子加速器は、かなり歪んだ形の質量分析計と見なすことができますが、3つの主要な要素（イオン源、分析器、および検出器）は常に存在します。米国のLW AlvarezとRobert Cornogが最初に質量分析計として加速器を使用したのは、1939年にサイクロトロンを使用して、ヘリウム3（³ He）が水素3（³H）、当時の核物理学における重要な問題。彼らはまた、ヘリウム-3が天然ヘリウムの成分であることを示した。それらの方法は、フルサイズのサイクロトロンが使用され、2つの同位体を簡単に区別できることを除いて、オメガトロンについて上述した方法と同じでした。この方法は、40年近く使用されていませんでした。しかし、地球や惑星の物体に入射する宇宙線によって生成される放射性同位元素である宇宙線同位元素の測定に用途が見出されました。これらの同位体は非常にまれであり、対応する地上元素の100万分の1の量の存在量を持ちます。これは、通常の質量分析計の能力をはるかに超える同位体比です。ベリリウム-7（⁷ Be; 53日）や炭素-14（¹⁴ C; 5,730年）のように、宇宙線生成同位体の半減期が比較的短い場合、サンプル中のその濃度は放射能計数によって決定できます。しかし、ベリリウム-10（¹⁰ Be; 150万年）または塩素-36（³⁶ Cl; 30万年）などの半減期が長い場合、このようなコースは効果がありません。大型の高エネルギー加速器質量分析計の利点は、以前に利用可能などの機械よりも1,000倍以上のエネルギーを持つイオンから得られる優れた検出器選択性です。従来の質量分析計では、参照イオンの10万分の1未満の存在量を測定するのは困難です。これは、干渉イオンが、少量の同位体が求められるアナライザーの場所に散乱するためです。極端な高真空と散乱防止の予防策により、これを10倍に改善できますが、1億倍は必要ありません。加速器はこの欠陥にさらに苦しみ、大量の「ゴミ」イオンが宇宙線生成同位体の予想される分析装置の場所で見つかります。特定の種類の核粒子検出器が関連するイオンを明確に識別する能力により、加速器質量分析計はこの欠点を克服し、強力な分析ツールとして機能することができます。

タンデム静電加速器の操作

タンデム静電加速器（粒子加速器：Van de Graaffジェネレーターを参照）は、この目的のために他のすべての機械をすぐに置き換えました。これは、主にそのイオン源、上記のセシウムスパッター源が接地電位の近くにあり、サンプルの交換が容易にできるためです。イオンはマイナスでなければなりませんが、簡単かつ効率的に生成されるため、これはハンディキャップではありません。高電圧管に入る前に、イオンは質量分析されるので、宇宙線生成同位体の質量位置で出現するビームのみが加速器に入ります。強い参照同位体ビームは、多くの場合、加速器にまったく入ることなく、この場所で測定されます。宇宙線生成同位体ビームは、ガスまたは薄い炭素ホイルとの衝突、またはその両方がさまざまな数の電子を取り除く機械の高電圧端子に引き付けられ、それによって対象の同位体に、正に帯電した端子。すべての分子イオンは分解されます。次に、出現するビームは、高分散磁石が主要部分である分析フィールドを通過します。アナライザを離れると、ビームは検出器に入ります。各イオンは、そのアイデンティティを確立できるように個別に検査されます。これを行う最も一般的な方法は、2つの粒子検出器の組み合わせを使用することです。一方の検出器は、所定の長さの物質を通過するときに粒子がエネルギーを失う速度を測定し、もう一方は同時に粒子の総エネルギーを測定します。カウントは2次元コンピューターアレイのビンに格納され、その座標は2つの検出器からの信号の振幅によって与えられます。多数の「ゴミ」イオンは、データアレイの領域を満たす2つの検出器から値を取得しますが、一般的に、対象イオンが占める明確に定義された領域とは重なりません。同位体の種類ごとに、さまざまな追加の分析フィールドを備えた特別に設計された検出器システムが必要であり、場合によっては、飛行時間法の使用も必要になります。加速器質量分析計の概略図を図8に示します。