加速器质谱-北师大

四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—同量异位素干扰抑制 C.射程过滤器
不同原子序数的核素在物质中的射程不同，可使用适当 厚度的吸收片（固体）或吸收室（气体）吸收原子序数 大的干扰本底。 适用于较轻的核素，与能量有关。
四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—同量异位素干扰抑制
二、普通质谱计

速度（交叉场）分析器
ε
B
L
V
速度分析器
二、普通质谱计

速度（交叉场）分析器
带电离子垂直进入正交的均匀电磁场中，离 子受电场力q ε和磁场力qVB作用，如果电场 力和磁场力大小相等、方向相反，则离子按 原方向直线运动，不受偏转。
½.MV2=E M/E=（M/q）/（E/q)=2/V2 = 2(t/L)2=K3
二、普通质谱计
一些同位素测量中遇到的本底及所需要的分辨率 同位素
3H
本底
3He
所需分辨率 150000 230 400 170000 1500 8300 1800 1100 6000 15000 47000 29000 64000 89000 82000 62000
讨论 用负离子源消除 易分辨 易分辨 可分辨 易分辨 用负离子源消除 易分辨 易分辨 易分辨 可分辨 用负离子源消除 可分辨 分辨困难 用CaH3离子 困难 用负离子源消除
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程： 3.从强而稳定的高能束中选择感兴趣 的同位素
从加速器引出的离子包含大量的能量为E的 本底离子和不同能量（电荷剥离后电荷态q 不同）的感兴趣的同位素离子，必须用磁 分析器（或开关磁铁）、静电分析器进行 二次选择，从而大大消除本底干扰。
三、加速器质谱技术
二、普通质谱计

回旋共振分析器
B
V
回旋共振分析器
Rm
二、普通质谱计

回旋共振分析器
带电离子在均匀磁场中作圆周运动，圆周运 动的周期（频率）与离子的初始速度（能量 和质量）有关： T=2πRm/V=2π.（M/q）.（1/B） M/q=B/2πf=K4=常数
二、普通质谱计
普通质谱计不能区分具有相同荷 质比的不同粒子。在分析试样中 含量极少(<=10-10)的原子时，会 遇到一些不可克服的干扰本底：
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程： 5.与稳定同位素归一化
对记录到的待测同位素的计数率，要用大丰 度同位素的计数率作归一，或用已知含量的 标准样品对加速器整个系统的效率进行测定， 才能最后得到待测样品中同位素的含量，进 一步得到考古样品的年代等数据。
四、加速器质谱的本底及抑制
串列加速器质谱技术综合利用了负离子源、预加速和离子 选择、电荷剥离、主加速器、电和磁分析器、核探测器和 核电子学等技术，可以把本底降低十几个量级。对较轻的 元素，从样品在离子源中被溅射、电离直到离子被记录， 总的效率一般为10-5—10-6（与电荷态有关），只要有~108 个原子便可探测。因此加速器质谱计的灵敏度非常高。比 普通质谱计和中子活化分析灵敏度高5—7个量级。加速器 质谱用于断代研究，与衰变法比较，所用试样少、测试时 间短，可考察的年代更长。例如放射衰变法测量14C所需碳 样品一般要几克，十几个小时，而加速器质谱只要几毫克， 十几分钟。 由于感兴趣核素在样品中含量极少，必须采取合适的措施， 控制各种干扰本底。
采用剥离技术，并合理选择特定的电荷态。 例如14C的12CH2-：
12C++H + 2 12CH 2 12C++2H+ 12CH12CH 2+ 2 12CH 3+ 2
12C++H++H
14C2+
14C3+
剥离的结果与能量和剥离材料的物理化学性质有关。3MeV 的C-到C+的剥离，C3+最强。同时由于12CH23+的半衰期很短， 因而可以选择C3+。
四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—相邻质量高丰度同位素的 强峰干扰抑制
提高分析器的分辨率或增加附加分析器（静电分析或 飞行时间技术）。
W（10-n）≥1.82.n1/2.W（1/2）
如果要求抑制比10-5，则用峰高全宽度W（10-5）代替 半宽度W（1/2）
W（10-5）≥1.82.51/2.W(1/2)≈4W(1/2)
四、加速器质谱的本底及抑制
（一）、本底 1.污染本底 在样品处理过程中引进的杂质产生的本底：
①样品的野外污染，包括运输、保存等，
②制样过程中引入的现代样品污染，
③离子源中引入的污染（残余气体、记忆效应）， ④系统引入的污染。 对14C，干扰度大致：①10-3—10-2，②10-3—10-2，③ 1.5×列加速器质谱的工作过程： 4.2射程过滤器
能量相同的离子在物质中的射程大致反比于Z2， 当干扰离子的Z值比待测离子大时，可以使用 适当的吸收物质将其吸收掉。
例如3H的射程约为3He的4倍，用金属箔就可以 把3He阻止掉。14C的射程约为14N的1.36倍，可 以用氙气作阻止物质，消除14N。
四、加速器质谱的本底及抑制
（一）、本底 2.干扰本底 所测核素以外的其它核素或物质产生的计数：
①分子干扰 ②同量异位素干扰，对14C有7Li2、12CH2、14N等 ③相邻质量稳定同位素强峰拖尾干扰 ④散射及电荷交换形成的连续谱干扰 对14C，干扰度大致：①10-4，②10-4，③10-5，④10-5
若分析器分辨率为M/Δ M=14，要达到10-5抑制比，需 要提高分辨率到14×4=56。
四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—连续谱本底抑制 采用多极分析器是唯一的方法
四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—同量异位素干扰抑制 A.设计分辨率足够高的磁分析器
四、加速器质谱的本底及抑制
（二）、本底的抑制 2.干扰本底的抑制—同量异位素干扰抑制 E.化学分离法 不同的核素化学性质不同，可以用化学反应分 离。分析极限10-6~10-8，对高灵敏度分析不适 用，只能作为初步的或辅助手段。
加速器质谱技术
北京师范大学核科学与技术学院
一、概念
加速器质谱技术是指利用加速器把 样品电离，选择所需的核素并进行 加速到高的能量，然后再次进行鉴 别和记录，从而得到样品中特定核 素含量的一种分析方法。
加速器质谱—Accelerator Mass Spectra—AMS
二、普通质谱计
质谱计的作用：分析得到样品的质量谱。 质谱计的组成： 1.离子源—产生离子或分子离子 2.加速—使离子得到一定的能量（几十~~ 几百keV） 3.分析器—将不同荷质比（M/q）的离子 分开 4.离子探测或计数
三、加速器质谱技术
北京大学串列加速器质谱计示意图
三、加速器质谱技术
从设备组成看，串列加速器质谱计主要设备： 1.负离子源 2.低能注入与分析系统 3.串列加速器主体（包括剥离器） 4.高能离子传输与分析 5.粒子探测系统
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程： 1.样品的电离、预选择和预加速
对气体样品，直接放入离子源内电离引 出负离子，对固体样品一般通过铯离子 溅射，再经过电荷交换引出负离子。引 出的负离子通过偏转磁铁进行预选择并 预加速到E0≈100KeV的能量后注入串列加 速器。
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程： 2.对感兴趣同位素的加速、剥离
负离子在串列加速器的前半部分被加速到eV能量（V 是串列加速器的端电压）达到加速器中央的高压端， 再经过电荷剥离器（薄膜或低压气体）后，变成正离 子，正离子在加速器后半部分又一次被加速而增加能 量qeV（q是正离子电荷态）。离子的总能量为： E=E0+（1+q）eV 一般要求把离子加速到每核子有数MeV的能量，加速 器端电压3—10MV。
二、普通质谱计
1.同量异位素本底。例如14N就是14C的同量异位 素。 14C+和14N+的质量差只有14C的1/8300 （157keV，约为质子质量的1/6000） 2.分子本底。如12CH2+和14C+的质量差只有14C的 1/1100，13CH+和14C+的质量差只有14C的1/1800
3.不同质量的加速离子（原子离子或分子离子） 在器壁或残余气体中散射引起的本底。如13C+、 12C+等
串列加速器质谱的工作过程： 4.对同位素的最后鉴别和记录
加速器将离子加速到数MeV的能量，因 此可以采用核物理实验的带电粒子探测 和鉴别技术。主要是Δ E-E探测器和射 程过滤器。
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程：
4.1ΔE-E探测器 ΔE探测器一般是气体电离室或半导体探测器，测定每 种离子的电离损失率：dE/dx≈KMZ2/E，因此，对相同 能量E的离子，只要MZ2不同，电离损失率不同。 ΔE探测器在前，E探测器（半导体探测器或闪烁晶体） 在后，就可以在ΔE和E的乘积谱或二维谱的能谱中区分 不同质量的离子。例如将能量信号E和能量损失信号ΔE 作为X和Y轴信号分别送入多道分析器进行二维测量， 既可以区分离子种类，还可以同时记录离子数目。适当 选择ΔE探测器的厚度，可以使能量损失率大的本底离 子全部被吸收掉，或使干扰离子的能谱与待测核素分开， 从而在无干扰的情况下记录待测核素。
D.全剥离电子法
用于Z小于待测核素的情况。把离子加速到很高的 能量，用一块或几块剥离箔将待测核素的原子及同 质异位素原子的外层电子全部剥离掉，则它们的荷 质比q/M不同，可以用分析器分离。 例如：3617Cl和3616S，74Be和73Li，2613Al和2612Mg， 41 Ca和41 K等。 20 19