重核离子束成分的加速器质谱分析

第33卷第2期原子能科学技术V o l.33,N o.2　1999年3月A tom ic Energy Science and T echno logy M ar.1999重核离子束成分的加速器质谱分析3何　明　姜　山　蒋崧生　武绍勇(中国原子能科学研究院核物理研究所,北京,102413)为拓展加速器质谱技术(AM S)测量范围及测量放射性核束成分,建立了利用入射离子发射特征X射线鉴别同量异位素的方法,开展了利用AM S测量重核离子束成分的工作。

用此方法可将测量79Se时的同量异位素干扰79B r压低2个数量级。

对将用于64Cu放射性束实验的铜靶离子束成分进行了分析。

关键词　离子束分析　入射离子X射线　加速器质谱中图法分类号　TL52　TH84加速器质谱技术(AM S)由于其高灵敏度而广泛应用于各个学科。

AM S在测量重核,如79Se、126Sn等会遇到同量异位素的严重干扰。

为拓展AM S测量范围,需建立重核的AM S分析新方法。

另外,放射性核束物理实验的束流是混合束(受到一些稳定核素的干扰),需要对其成分进行鉴别而对离子束成分分析提出了要求。

当离子经过加速器加速再经过分析磁铁选定所测核素后,离子束中一般只有所测核素的同位素和同量异位素。

因此,离子束成分分析主要是分析离子束中的同位素和同量异位素含量。

1　同位素的分析方法111　电刚度分析法待分析样品在离子源被电离、经加速器加速后由分析磁铁选择出某一核素,只有相同磁刚度2〔(E q)・(m q)〕1 2的离子才能通过分析磁铁(E、m、q分别为离子能量、质量和电荷态)。

离子在加速过程中由于电荷交换等原因使一些同位素的磁刚度满足选定的磁刚度而通过分析磁铁,因这些同位素离子质量不同,能量比选择的离子能量要高或低。

静电分析器是能量分析器,即只有电刚度(E q)相同的离子才会通过静电分析器,因此可对离子的同位素进行分析。

中国原子能科学研究院的高灵敏静电分析器[1]可对离子束中的同位素进行分析:通过改变静电分析器的电压让能量不同的离子(相应于质量不同的离子)通过静电分析器,对通过的离子进行测量来对离子束中的同位素进行鉴别。

静电分析器在分析模拟传输64Cu时离子束中同位3国家自然科学基金和核工业基金资助项目何　明:男,29岁,加速器质谱学专业,助理研究员收稿日期:1998205218　收到修改稿日期:1998208202图1　静电分析器分析同位素的成分F ig .1　Iso tope componen ts ob tained byelectro static deflecto r素成分的分析结果示于图1。

图中A =64代表质量数为64的同量异位素。

1.2　飞行时间分析方法离子经静电分析器后可排除绝大多数干扰同位素离子。

当被分析核素的丰度很低时,单用静电分析器很难对其分析,这时同位素仍会对所测核素产生干扰。

为此,除了用静电分析器外,仍需进一步对同位素进行分辨。

利用在非相对论时匀速飞行离子的飞行时间t 与离子质量m 的关系m =2E (t l )2(E 为离子能量,l 为离子飞行距离)可因飞行时间不同而将同位素分开[2]。

2　鉴别同量异位素的入射离子X 射线测量方法211　入射离子X 射线测量方法的提出同量异位素的质量基本一样,它们在加速图2　入射离子和靶的K 层电子空位截面F ig .2　P ro jectile and target K 2vacancycro ss secti on s器质谱系统中飞行路径也基本相同。

因此,对同量异位素的分辨需依靠能对离子核电荷数(Z )进行鉴别的方法来实现。

对Z 分辨一般常用在介质中离子能量损失∃E 2E 法,这种方法要求离子的能量达到1～5M eV u ,且只对Z <20的核素较为有效。

对Z >20的核素需要更高的能量[3],这对于常用的串列加速器很难满足。

当一定能量的离子打在靶上时,靶不仅会产生X 射线,入射离子也会产生X 射线。

不同元素的特征X 射线能量不同,测量入射离子产生的特征X 射线可对入射离子进行Z 鉴别。

这种方法对离子的能量要求不高,不同核素X 射线的分辨基本与离子能量无关,可实现在一般能量下重核的同量异位素鉴别。

212　入射离子X 射线产额1)入射离子X 射线产额与靶的关系入射离子产生K 层电子空位的截面与靶核的关系已由M eyerhof W .E .[4]进行了讨论。

在入射离子K 层电子结合能和靶离子的K 层电子结合能比较接近时,入射离子在此区域产生K 层的电离截面大,产生KX 射线的几率也高。

30M eV 的B r 打在不同靶上时入射离子和靶产生K 层电子空位截面随靶的变化情况示于图2。

可以看出,靶产生K 层电子空位截面随靶的核电荷数(Z 2)031原子能科学技术 第33卷急剧变化,而入射离子产生K 层电子空位截面随Z 2则有一共振区域,这一区域就是靶与入射离子的K 层电子结合能比较接近的区域。

另外,在Z 2接近80处也有一共振区域,这是由于在这一区域入射离子的K 层电子结合能与靶的L 层电子结合能比较接近的缘故。

2)入射离子X 射线产额与入射离子能量的关系对于厚靶,入射离子X 射线产额(Y )与离子能量(E )间遵循Y ∝E Β关系。

Β(Z 1,Z 2,E )[4]与入射离子核电荷数Z 1、能量E 及靶的核电荷数Z 2有关。

Β对E 不敏感,在很大能量范围内基本为一常数。

对于一定的入射离子和靶,X 射线产额随入射离子能量的增大而增大。

213　入射离子X 射线分析1)入射离子X 射线的分析经加速后的离子打在特定靶上,入射离子发射特征X 射线,这些特征X 射线能量一般约为十几keV ,可采用Si (L i )探测器对X 射线能量进行测量。

为增大测量的立体角,通常将探头直接放在靶的后面,同时为吸收低能离子和一些低能X 射线,在靶与探头间放置一吸收膜。

入射离子和靶产生的X 射线经探测器测量后进行X 射线分析。

78Se 和79B r 打在1717g m 2Zr 靶上的特征X 射线能谱示于图3。

可以看出:利用入射离子发射的X 射线可将束流中的同量异图3　B r 和Se 在Zr 靶上的X 射线谱F ig .3　X 2ray spectra of B r and Se on a Zr target fo il位素分开。

在此能量下,用能量损失∃E 2E 法根本无法做到。

2)入射离子X 射线分析需注意的几个问题(1)多普勒效应　与P I XE 方法不同的是,入射离子X 射线测量中要注意的问题是多普勒效应。

入射离子产生的X 射线是离子在通过靶的慢化过程中发出的,这些X 射线会产生多普勒频移。

多普勒频移的大小由E =E 0(1+vcco s Η)给出。

E 0为静止时发射X 射线的能量,v 为离子的速度,c为光速,Η为离子运动方向和探测器的夹角。

多普勒效应不仅使测得的X 射线峰位产生移动,而且还会使X 射线能谱展宽。

例如,对于将探测器放在靶后面(Η=0°)、能量为80M eV 的Se ,X 射线的多普勒频移为0.047E 0。

80M eV 的Se 从进入到停在靶中产生的X 射线的多普勒展宽为520eV (Η=0°)。

而Se 和B r 的K Α能量相差700eV ,这对分辨很不利。

当Η=90°时,多普勒展宽为0,但测量的立体角将减小。

另外,对实验装置的安排也存在困难。

减小多普勒效应的另一办法是让离子在靶中通过时能量损失减小,即离子进入靶和射出靶时的能量差小能有效降低多普勒展宽。

如,80M eV 的Se 通过22g m 2的Zr 膜时能量减小到40M eV ,它们产生的X 射线的展宽只有150eV ,穿过靶的离子用低Z 材料,如Cap ton 吸收膜。

Se 在低Z 材料上产生X 射线的截面比在Zr 靶上的截面小3个数量级,从而有效地避免了多普勒效应。

但薄靶的缺点在于降131第2期 何　明等:重核离子束成分的加速器质谱分析低了X 射线的产额。

在不同厚度的Zr 靶上,厚度与入射离子X 射线的产额Y 、峰的半高宽(FW HM )、压低因子R ±Ρ和R ±2Ρ的关系列于表1。

压低因子指干扰核素(如79B r )产生X 射线峰的总计数与此峰在被干扰峰(如79Se )的±1Ρ(±2Ρ)范围内拖尾的计数之比。

在测量中需根据情况选取适当的靶厚。

表1　靶厚与Se 的X 射线产额Y 、峰的半高宽及压低因子的关系Table 1　The rela tion sh ip between the target th ickness and the X -ray y ield ,F W H M ,suppression factorZr 靶厚 g ・m -2Y FW HM eVR ±ΡR ±2Ρ24.01.2×10-2291894517.71.45×10-22791276012.51.05×10-226618084图4　质量数为64的核素产生的X 射线谱F ig .4　X 2ray spectrum fo r the m ass num ber of 64(2)吸收膜　根据光电截面具有强烈吸收限这一特点,可选用合适的吸收物质来抑制某种元素的特征X 射线强度,从而比较明显地显示出那些原来被掩盖的元素的特征X 射线峰。

在分析某些元素时,如果它的干扰核素的X 射线能量高于欲分析的X 射线能量,可选用合适的吸收膜,使该膜的吸收限位于两条X 射线的能量之间来吸收干扰核素的X 射线。

3)入射离子X 射线分析的局限入射离子产生X 射线的产额较低,用于测量X 射线的Si (L i )探测器的B e 窗距探测器晶体有一定的距离,且晶体的有效直径在10mm 左右,虽然靶贴近探测器,但测量立体角最大也只有1Π左右,测量效率比较低。

另外,由多普勒效应引起能谱的展宽以及康普顿散射、边缘效应等引起的拖尾对于X 射线的分析都有不利影响。

尽管如此,它在低能下分析同量异位素的能力及在测量装置简单等方面的优点足以弥补上述不足。

3　重核离子束分析技术的应用311　加速器质谱技术加速器质谱计是目前分析技术中灵敏度最高的一种分析核素的方法。

在分析测量过程中主要是排除同位素和同量异位素的干扰,最后由探测器记录所要测量核素的原子数目。

同位素可用静电分析器和飞行时间系统进行分辨,而对于比较重的核素或离子能量比较低时用入射离子产生的特征X 射线分析法排除同量异位素干扰是最佳选择。

它和AM S 方法有机地结合231原子能科学技术 第33卷在一起可将测量的灵敏度在原有的基础上提高2个数量级。

方法在AM S 分析重核,如59N i 、63N i 、79Se 、126Sn 等已得到实际应用[5]。