Accelerator mass spectrometry
Pag-unlad
Ang mga pampapabilis ng butil na ginamit sa pisika ng nuklear ay maaaring matingnan bilang mass spectrometer ng mga pang-gulong na form, ngunit ang tatlong pangunahing elemento - ang pinagmulan ng ion, analyzer, at detector - ay palaging naroroon. Sina LW Alvarez at Robert Cornog ng Estados Unidos ay unang gumamit ng isang accelerator bilang isang mass spectrometer noong 1939 nang gumamit sila ng cyclotron upang ipakita na ang helium-3 (3 He) ay matatag sa halip na hydrogen-3 (3H), isang mahalagang katanungan sa nuclear physics sa oras na iyon. Ipinakita din nila na ang helium-3 ay isang sangkap ng natural helium. Ang kanilang pamamaraan ay katulad ng inilarawan sa itaas para sa omegatron maliban na ang isang buong laki ng cyclotron ay ginamit, at madaling makilala ang dalawang isotopes. Ang pamamaraan ay hindi nagtrabaho muli sa halos 40 taon; gayunpaman, natagpuan nito ang aplikasyon sa pagsukat ng mga ismormikong kosmogeniko, ang radioisotopes na ginawa ng insidente ng kosmic ray sa Earth o planeta. Ang mga isotopes na ito ay labis na bihirang, pagkakaroon ng kasaganaan sa pagkakasunud-sunod ng isang milyong milyon ng kaukulang elemento ng terrestrial, na kung saan ay isang isotopic ratio na higit pa sa mga kakayahan ng normal na mass spectrometer. Kung ang kalahating buhay ng isang kosmogenikong isotope ay medyo maikli, tulad ng beryllium-7 (7 Be; 53 araw) o carbon-14 (14 C; 5,730 taon), ang konsentrasyon nito sa isang sample ay maaaring matukoy ng radioactive count; ngunit kung ang kalahating buhay ay mahaba, tulad ng beryllium-10 (10 Be; 1.5 milyong taon) o chlorine-36 (36 Cl; 0.3 milyong taon), tulad ng isang kurso ay hindi epektibo. Ang bentahe ng malaki, high-energy accelerator mass spectrometer ay ang mahusay na pagpili ng detector na nagreresulta mula sa mga ion na mayroong 1,000 beses na mas maraming enerhiya kaysa sa anumang maibigay na makina na magagamit. Ang maginoo na spectrometer ng masa ay nahihirapan sa pagsukat ng mga kasaganaan na mas mababa sa isang daang libong libis ng isotopang sanggunian, dahil ang nakakasagabal na mga ions ay nakakalat sa lokasyon ng analyzer kung saan hahanapin ang mababang-isotopang isotopon. Ang mga labis na mataas na vacuum at pag-iingat ng antiscattering ay maaaring mapabuti ito sa pamamagitan ng isang kadahilanan ng 10 ngunit hindi ang kadahilanan ng 100 milyon na kinakailangan. Ang isang accelerator ay naghihirap mula sa depekto na ito hanggang sa isang mas mataas na antas, at ang malaking dami ng mga "basurahan" na mga ion ay matatagpuan sa inaasahang lokasyon ng analyzer ng cosmogenic isotope. Ang kakayahan ng ilang mga uri ng mga nukleyar na butil ng detektor upang makilala ang may-katuturang ion na hindi nag-iisang nagpapahintulot sa accelerator mass spectrometer na pagtagumpayan ang pagkukulang na ito at gumana bilang isang malakas na tool na analitikal.
Ang pagpapatakbo ng tandem electrostatic accelerator
Ang tandem electrostatic accelerator (tingnan ang accelerator ng maliit na butil: ang mga generator ng Van de Graaff) ay mabilis na inilipat ang lahat ng iba pang mga makina para sa hangaring ito, lalo na dahil ang pinagmulan ng ion nito, ang mapagkukunan ng cesium sputter na inilarawan sa itaas, ay matatagpuan malapit sa potensyal sa lupa at madaling ma-access para sa pagbabago ng mga sample. Ang mga ion ay dapat na negatibo, ngunit hindi ito napatunayan na maging isang kapansanan dahil madali at mahusay na ginawa ang mga ito. Bago ipasok ang mataas na boltahe na tubo, ang mga ion ay nasuri nang malaki upang ang sinag na umuusbong sa lokasyon ng masa ng kosmogenikong isotope ay pumapasok sa aselerador; ang matinding sangguniang isotope beam ay madalas na sinusukat sa lokasyon na ito nang hindi pinapasok ang accelerator. Ang kosmogenikong isotope beam ay naaakit sa mataas na boltahe na terminal ng makina kung saan ang mga pagbangga sa gas o isang manipis na carbon foil o parehong guhit ang iba't ibang mga bilang ng mga electron, sa gayon ay iniiwan ang isotope ng paksa na may pamamahagi ng maraming mga positibong estado ng singil na tinanggihan ng positibong sisingilin na terminal. Ang lahat ng mga molekular na ion ay nasira. Ang umuusbong na sinag pagkatapos ay dumaan sa pagsusuri ng mga patlang na kung saan ang isang mataas na magnet ng pagkakalat ay ang punong bahagi. Nang iwan ang analyzer, ang beam ay pumapasok sa detector. Ang bawat ion ay sinuri nang paisa-isa sa isang paraan na nagpapahintulot na maitatag ang pagkakakilanlan nito. Ang pinakakaraniwang paraan ng paggawa nito ay sa pamamagitan ng paggamit ng isang kumbinasyon ng dalawang mga detektor ng butil: ang isang detektor ay sumusukat sa rate kung saan nawawalan ng lakas ang butil kapag pumasa sa isang naibigay na haba ng bagay, habang ang iba pang sabay-sabay ay sumusukat sa kabuuang enerhiya ng butil. Ang mga bilang ay naka-imbak sa mga bins ng isang dalawang-dimensional na hanay ng computer, ang mga coordinate na kung saan ay ibinibigay ng mga amplitude ng mga signal mula sa dalawang detektor. Ang maraming mga "basurahan" na mga ion ay kinukuha sa mga halaga mula sa dalawang detektor na pumupuno sa mga rehiyon ng hanay ng data ngunit sa pangkalahatan ay hindi umapaw ang mahusay na tinukoy na rehiyon na sinasakop ng subject ion. Ang bawat uri ng isotope ay nangangailangan ng isang espesyal na dinisenyo na detektor system na may iba't ibang mga karagdagang pag-aaral sa patlang at, sa ilang mga kaso, kahit na ang paggamit ng mga diskarte sa oras-paglipad. Ang isang diagram ng eskematiko ng isang accelerator mass spectrometer ay ipinapakita sa Figure 8.
