Massaspectrometrie

Massaspectrometrie van de versneller

Ontwikkeling

De deeltjesversnellers die in de kernfysica worden gebruikt, kunnen worden gezien als massaspectrometers met nogal vervormde vormen, maar de drie belangrijkste elementen - de ionenbron, analysator en detector - zijn altijd aanwezig. LW Alvarez en Robert Cornog uit de Verenigde Staten gebruikten in 1939 voor het eerst een versneller als massaspectrometer toen ze een cyclotron gebruikten om aan te tonen dat helium-3 (³ He) stabiel was in plaats van waterstof-3 (³H), destijds een belangrijke vraag in de kernfysica. Ze toonden ook aan dat helium-3 een bestanddeel was van natuurlijk helium. Hun methode was dezelfde als die hierboven beschreven voor de omegatron, behalve dat een cyclotron van volledige grootte werd gebruikt, en het onderscheidde gemakkelijk de twee isotopen. De methode is bijna 40 jaar niet meer toegepast; het heeft echter toepassing gevonden bij het meten van kosmogene isotopen, de radio-isotopen die worden geproduceerd door op de aarde invallende kosmische straling of planetaire objecten. Deze isotopen zijn buitengewoon zeldzaam en hebben een overvloed in de orde van grootte van een miljoenste van het overeenkomstige terrestrische element, wat een isotopenverhouding is die ver boven de mogelijkheden van normale massaspectrometers ligt. Als de halfwaardetijd van een kosmogene isotoop relatief kort is, zoals beryllium-7 (⁷ Be; 53 dagen) of koolstof-14 (¹⁴ C; 5730 jaar), kan de concentratie in een monster worden bepaald door radioactief tellen; maar als de halfwaardetijd lang is, zoals beryllium-10 (¹⁰ Be; 1,5 miljoen jaar) of chloor-36 (³⁶ Cl; 0,3 miljoen jaar), is zo'n cursus niet effectief. Het voordeel van de grote massaspectrometer met hoge energieversneller is de grote selectiviteit van de detector die het gevolg is van ionen die 1000 keer meer energie hebben dan welke voorheen beschikbare machine dan ook. Conventionele massaspectrometers hebben moeite met het meten van hoeveelheden kleiner dan honderdduizendste van de referentie-isotoop, omdat storende ionen worden verspreid in de analysatorlocatie waar de isotoop met lage overvloed moet worden gezocht. Extremen van hoogvacuüm en antiscattering voorzorgsmaatregelen kunnen dit met een factor 10 verbeteren, maar niet met de factor 100 miljoen die nodig is. Een versneller lijdt in nog grotere mate aan dit defect en grote hoeveelheden "afval" -ionen worden gevonden op de verwachte analysatorlocatie van de kosmogene isotoop. Door het vermogen van bepaalde soorten detectoren voor kerndeeltjes om het relevante ion ondubbelzinnig te identificeren, kan de massaspectrometer van de versneller deze tekortkoming overwinnen en als een krachtig analytisch hulpmiddel fungeren.

Werking van de tandem elektrostatische versneller

De tandem-elektrostatische versneller (zie deeltjesversneller: Van de Graaff-generatoren) verplaatste snel alle andere machines voor dit doel, voornamelijk omdat de ionenbron, de cesium-sputterbron hierboven beschreven, zich dichtbij het aardpotentiaal bevindt en gemakkelijk toegankelijk is voor het wisselen van monsters. De ionen moeten negatief zijn, maar dit blijkt geen handicap te zijn omdat ze gemakkelijk en efficiënt worden geproduceerd. Alvorens de hoogspanningsbuis binnen te gaan, worden de ionen in massa geanalyseerd, zodat alleen de bundel die op de massalocatie van de kosmogene isotoop tevoorschijn komt de versneller binnenkomt; de intense referentie-isotoopbundel wordt vaak gemeten op deze locatie zonder de accelerator binnen te gaan. De kosmogene isotoopbundel wordt aangetrokken door de hoogspanningsklem van de machine waar botsingen met gas of een dunne koolstoffolie of beide verschillende aantallen elektronen strippen, waardoor de subject-isotoop een verdeling van meerdere positieve ladingstoestanden achterlaat die worden afgestoten door de positief geladen terminal. Alle moleculaire ionen worden afgebroken. De opkomende bundel gaat dan door analyserende velden waarvan een magneet met hoge dispersie het belangrijkste onderdeel is. Bij het verlaten van de analyser komt de straal de detector binnen. Elk ion wordt afzonderlijk onderzocht op een manier waardoor de identiteit kan worden vastgesteld. De meest gebruikelijke manier om dit te doen is door een combinatie van twee deeltjesdetectoren te gebruiken: de ene detector meet de snelheid waarmee het deeltje energie verliest bij het passeren van een bepaalde lengte materie, terwijl de andere tegelijkertijd de totale energie van het deeltje meet. De tellingen worden opgeslagen in de bakken van een tweedimensionale computerarray, waarvan de coördinaten worden gegeven door de amplitudes van de signalen van de twee detectoren. De talrijke "afval" -ionen nemen waarden over van de twee detectoren die gebieden van de gegevensreeks vullen, maar overlappen in het algemeen niet het goed gedefinieerde gebied dat wordt ingenomen door het subject-ion. Elk type isotoop vereist een speciaal ontworpen detectorsysteem met verschillende aanvullende analysevelden en in sommige gevallen zelfs het gebruik van time-of-flight-technieken. Een schematisch diagram van een massaspectrometer van een versneller wordt getoond in Figuur 8.