中科院地球环境研究所-西安交通大学

中科院地球环境研究所－西安交通大学加速器质谱联合中心JointCenterforAcceleratorMassSpectrometry报告人：周卫健研究员加速器质谱仪(AMS)及其应用AMS提纲1.放射性核素的测年原理与传统探测方法的限制2.多核素分析用的西安加速器质谱仪3.AMS的应用现状与前景AMSAMS一、长寿命放射性核素的形成与传统探测方法的限制AMS长寿命放射性核素是指宇宙成因核素3H（12.33年）10Be（1.5×106年）14C（5730年）26Al（7.5×105年）32Si（172年）36Cl（3.0×105年）39Ar（269年）41Ca（1.0×105年）60Fe（1.5×106年）85Kr（11年）99Tc（2.1×105年）129I（1.6×107年）236U（2.3×107年）239Pu（2.4×104年）AMS1.长寿命放射性核素的形成和衰变及储存库间的交换和平衡地球大气圈外的物质大气层（同温层、对流层）物质（N、O、Ar、Kr、Xe）地球表面宇宙射线（高能质子和中子）AMS宇宙成因核素的形成AMS高能（1～10GeV）宇宙粒子（p、n）与大气层中物质粒子（O、N、Ar、Kr、Xe）发生核反应，如：14N＋n14C＋p16O＋p14C＋3p17O＋n14C＋2p＋2n宇宙成因核素的形成16O＋p10Be＋5p＋2n14N＋p10Be＋4p＋nAMS14C14CO2均匀分布到大气圈中氧化扩散对流氧化对流各种交换在自然界的储存库中均匀分布宇宙成因核素14C的分布AMS长寿命放射性核素14C的衰变14C14N＋β放射性衰变：teAtA)0()(2/12lnT是衰变常数，原子数或浓度衰减：teNtN)0()(T1/2是半衰期(5730年）AMS宇宙成因核素14C在储存库间交换和平衡海洋沉积物水圈生物圈大气圈植物动物燃烧光合作用食物链AMS2.Libby的放射性核素14C断代原理（获1960年诺贝尔化学奖）AMS动物和植物14C不断吸收和交换14C连续衰减达到动态平衡动物和植物死亡后离开了生物圈的平衡，没有新鲜的14C补充平衡放射性比度随时间而衰减，可以求得年代：)0()(lnAtAt83001-－Libby常数(平均寿命）断代（测年）原理AMS3.传统衰变方法在测量长寿命放射性核素时的限制AMS传统的衰变方法衰变法探测样品中14C的β衰变液体闪烁计数器气体正比计数器AMS2.测量时间长，样品量大3.不适合测半衰期T1/2大于103年的放射性核素（10Be、26Al、129I等）β（decay）——65年1克碳14个β计数／分6.5×1010个14C原子70μg（1.2uA）样品得到36000个原子(AMS)——1小时半衰期：14C-5730年1.灵敏度低传统的衰变方法的限制AMS4.普通质谱仪在测量长寿命放射性核素时的困难AMS测量粒子个数的方法需用质谱仪动量分析器二极磁铁磁场分析法能量分析器静电偏转板电场分析法速度分析器WienFilter正交电磁场分析法质量分析器回旋加速器高频电磁场（共振）分析法qMqWK1qWK2qMqWK3qMK4四种普通质谱仪（MS）类型AMSMS可以测量离子的二个特性物理量K1、K2、K3、K4：各种分析器的电磁常数W－－通过粒子的动能q－－通过粒子的电荷M－－通过粒子的质量被测粒子的物理特性MS可以确定粒子的二个特性量qWqM和AMS动量分析器（磁分析器）特性rMvqvB2WMv221MWv2WMMvP2qPBrqMqWqWMBrK221~特性：磁铁中不同质量的粒子只要它们动量相同就能通过同一中心轨迹。(如果它们能量相同，是无法通过同一中心轨迹。)AMS能量分析器（静电分析器）特性dVVEqErMv2特性：静电偏转板中不同质量的粒子只要它们能量相同就能通过同一中心轨迹。qWqMvErK~22AMSMS必须有两种不同类型的分析器的组合，才能鉴别粒子的物理特性：qMqW和三个磁分析器组合三个静电分析器组合磁分析器和静电分析器组合AMSMS鉴别的粒子的qMqW和不是唯一的nqnWqWnqnMqM被鉴别离子原子本底36Cl2＋18O1+36Cl3＋12C1+36Cl4＋9Be1+36Cl6＋6Li1+36Cl9＋12C3+被鉴别离子分子本底14C－13CH－14C－12CH2－14C＋7Li2+14C＋12CH2+14C＋13CH+14C＋12C16O2+14C＋12C12CH42+AMS粒子同量异位素粒子分辨率要求3H3He150,00010Be10B17,00014C14N83,00026Al26Mg6,00036Cl36Ar47,00041Ca41K89,000129I129Xe62,000MS更无法鉴别同量异位素粒子同量异位素(Isobar）粒子间质量差别极微小，分辨率要求很高。AMSMS提高分辨率是靠减小狭缝宽度40Ca与40Ar狭缝宽度为几个微米传输效率0缩小狭缝宽度不适合分析长寿命放射性核素丰度低－－10-12～10-15计数率少－－每秒几十个以下问世于二十世纪七十年代末的加速器质谱仪（AMS）（AcceleratorMassSpectrometer)是一种基于加速器技术的超高灵敏度质谱仪AMSAMS串列加速器技术普通质谱仪技术各种核探测技术加速器质谱仪技术AMSAMS基于加速器质谱仪的加速器质谱学（AMS）(AcceleratorMassSpectrometry)•离子束分析的一门新兴方法•探测长寿命放射性核素的一个不可取代的精确分析手段•加速器技术的正在迅速发展的应用领域AMSAMSAMS二、多核素分析用的西安加速器质谱仪AMSAMS1.加速器质谱仪的基本要求和基本组成AMS基本要求一、彻底的清除所有不需要的本底粒子被探测的粒子本底粒子14C14N、13CH、12CH213C12CH12C其他粒子（转荷、碰撞）二、被探测的粒子的高效传输以及“平顶传输”。AMS西安AMS总体布局1.离子源系统2.低能质谱分析系统3.串列加速器系统4.高能质谱分析系统5.探测器系统6.控制系统AMS2.铯溅射负离子源系统AMSAMS使用负离子源，为什么？被探测的粒子本底粒子分辨率要求14C14N*83,00013CH1,80012CH21,10036Cl36Ar*47,00036S29,0003H3He*150,000HD230H3400许多被探测的放射性核素的同量异位素的负离子是不稳定的（不存在的），可以很容易的去除同量异位素的干扰。*负离子不稳定AMS铯溅射固体（石墨）离子源AMSHVEE-SO-50固气二用Cs负离子源固体样品经粗处理CO2石墨化费时间争议流强小记忆效应大极个别实验室（Oxford）使用CO2的气体离子源西安AMS固气两用，但气体暂不考虑AMS多样品装置AMS为什么要多样品装置？标准样品：是已知样品，消除AMS系统的传输效率不同和变化的影响本底样品：不含被测放射性核素粒子的样品，校正AMS系统的测量本底被测样品：AMS要测多个未知样品提高年分析量（Throughout）AMS在测量未知样品的同时，还要测量已知的标准样品和本底样品。AMS多样品装置西安AMS使用50个样品AMS3.注入器（低能质谱分析系统）AMS本系统由一个54o静电偏转板和一台90o二极磁铁组成AMS54o静电偏转板从离子源引出的各种质量的离子，它们的能量散度大。54o静电偏转板作为能量分析器（K=W/q）选择从离子源出来的能量（W±ΔW）范围内的各种质量的离子。54o静电偏转板沿轴旋转后可以与另一台离子源系统连接。AMS90o能量跳跃磁铁（Bouncer）AMS要测量不同质量的离子的比值一般加速器只加速一种特定的离子AMS却要加速被测的放射性核素的离子及其相应的稳定同位素离子，测得它们的比值，如：10Be/9Be14C/12C26Al/27Al129I/127I由于对14C测量的精度要求比较高,因此还需要考虑被采样的沉积物中12C与13C间组分的变化，进行δ13C分馏效应校正,故14C分析要测量三种不同质量的离子（12C、13C、14C）及他们的比值。AMS有两种注入模式，同时注入和交替注入。AMS交替注入模式（以C的测量为例）把真空盒与磁铁及两端束流管道绝缘，在盒上加脉冲电压。当不同质量的离子通过时，在盒上加不同脉冲电压，以改变离子的能量，使它们在磁铁中的动量相等，从而通过磁铁中心线轨道。离子在进出磁铁前后的两端束流管道中的能量是相同的。AMS4.串列式静电加速器AMS原理一个空心金属圆筒对地电容为C。连续向该金属圆筒输运电荷，当金属圆筒上带有电荷Q，金属圆筒上就有高电压V＝Q/C（高压电极），高压电极两端分别接一根真空加速管，内部有剥离器。注入能量Ei的负离子由地电位加速到高压电极，能量增加Vq，经剥离后变带n个电荷的正离子，由高压电极加速到地，能量增加nqV。Ei+Vq+nqV=Ei+(1+n)qVAMS加速管加速管是一组盘形电极与绝缘玻璃（瓷）环相间封接而成。加速管内部特殊设计的电场和磁场可以把加速管内部因碰撞、散射、场致发射等产生的次级电子尽快偏离而损失在管内壁，不致产生强X射线.故本加速器运行时，X射线剂量极低（2uSv/hr），人可安全在周围工作。AMS剥离器类型：剥离器有气体和固体碳膜两种。西安AMS只用气体剥离器。功能：在一般加速器中剥离器是把负注入离子转荷成正离子，实现串级式加速。在AMS中，剥离器还用作抑制分子离子的干扰本底。分子离子抑制：实验表明，分子离子不存在正二价以上的离子。如果我们选用＋3价离子（14C3+）就很容易把分子离子12CH2、13CH分离掉。气体剥离器循环系统：防止Ar扩散到两端加速管，影响真空度。高压电源NECPelletron输电链AMSHVEETandtron高频高压电源为了得到3MV端电压，商品化的设备有两种向高压电极输送电荷的模式。为了得到高的三价离子产额14C3+（最佳平衡电荷态），入射离子能量应在2.5～2.7MV。AMS钢筒与高气压绝缘为了缩小3MV加速器的尺寸，又防止高压击穿。利用高气压气体能提高击穿强度的特性，加速器放在一个充有6个大气压的SF6气体的钢筒内。T型钢筒的垂直段是提供高压电极电荷的35kHzCockroft型高频高压电源。AMS5.高能质谱分析系统AMS功能功能：进一步抑制本底离子，使被探测的放射性核素的离子进入探测器。本系统有两块二极磁铁和一个65o静电偏转板组成。AMS115o分析磁铁115°MagnetRadius:1200mmMax.mag.field:1.1TWeight:8tonAMS65o静电偏转板高色散性使10Be与10B两种离子在探测器入口处分离开3.6cm，这就大大减少了进入探测器的10B干扰。AMS30o磁铁是为了使14C的测量精度从0.5%提高到0.2~0.3%，也为了提高其他长寿命同位素的探测灵敏度。30o磁铁AMS6.气体电离探测器AMS带电粒子与探测器中气体分子碰撞后，产生电子，损失能量。根据探测到的电子微电流，可确定入射的带电粒子数量。损失的能量与原子序数的平方成正比（Bethe-Block公式）：EZdxdE2~气体电离探测器异丁烷iC4H1020mbarE－带电粒子初始能量Z－带电粒子原子序数AMS14C计数AMS10Be10B探测器中10Be的干扰10B基本被分开AMS7.控制系统控制系统高级控制低级控制用户界面自动化控制模块数据处理模块数据获取和控制模块提供接口模块AMS信号传输使用独立的光纤AMS14C测量方法AMSBeO-化学处理使B含量降到最低Be1+，2+，3+B1+，2+，3+探测器B损失2500倍Be损失5倍=500倍10Be测量方法Orsay（法）实验室的10Be测量思路：不同于一般AMS中加速三价Be离子，它加速二价Be离子，并通过一个碳箔变成3价离子，使本底10B离子