Ubrzivačka masena spektrometrija
Razvoj
Akceleratori čestica koji se koriste u nuklearnoj fizici mogu se promatrati kao maseni spektrometri prilično iskrivljenih oblika, ali tri glavna elementa - izvor iona, analizator i detektor - uvijek su prisutni. LW Alvarez i Robert Cornog iz Sjedinjenih Država prvi su put koristili akcelerator kao maseni spektrometar 1939. kada su koristili ciklotron kako bi pokazali da je helij-3 (3 He) stabilan, a ne vodik-3 (3H), važno pitanje u tadašnjoj nuklearnoj fizici. Oni su također pokazali da je helij-3 sastavni dio prirodnog helija. Njihova metoda bila je ista kao što je opisano gore za omegatron, osim što je upotrijebljen ciklotron pune veličine i lako je razlikovati dva izotopa. Metoda se ponovno nije primjenjivala gotovo 40 godina; međutim, ona je našla primjenu u mjerenju kozmogenih izotopa, radioizotopa proizvedenih kozmičkim zrakama koje padaju na Zemlju ili na planetarne objekte. Ti su izotopi iznimno rijetki, a imaju ih u redoslijedu od milijun milijuna odgovarajućeg zemaljskog elementa, što je izotopski omjer daleko iznad mogućnosti normalnih masenih spektrometara. Ako je poluživot kozmogenog izotopa relativno kratak, poput berilija-7 (7 Be; 53 dana) ili ugljika-14 (14 C; 5.730 godina), njegova se koncentracija u uzorku može odrediti radioaktivnim brojenjem; ali ako je poluživot dug, poput berilija-10 (10 Be; 1,5 milijuna godina) ili klora-36 (36 Cl; 0,3 milijuna godina), takav je tijek neučinkovit. Prednost velikog spektrometra masenog akceleratora velike energije je velika selektivnost detektora koja proizlazi iz iona koji imaju 1000 puta više energije nego što bi to prethodno imali dostupni strojevi. Konvencionalni maseni spektrometri imaju poteškoće u mjerenju broja manjih od sto tisuća referentnog izotopa, jer se interferirani ioni raspršuju na mjesto analizatora gdje treba tražiti izotop s malim obiljem. Krajnje mjere visokog vakuuma i mjere protiv raspršivanja mogu to poboljšati faktorom 10, ali ne i potrebnim faktorom od 100 milijuna. Akcelerator još više pati od ovog oštećenja, pa se na očekivanom mjestu analizatora kozmogenog izotopa nalaze velike količine iona iz smeća. Sposobnost određenih vrsta detektora nuklearnih čestica da nedvosmisleno identificiraju relevantne ione omogućuje ubrzavajućem spektrometru mase da prebrodi taj nedostatak i funkcionira kao moćan analitički alat.
Rad tandemskog elektrostatičkog akceleratora
Tandemski elektrostatički akcelerator (vidi akcelerator čestica: Van de Graaff generator) brzo je istisnuo sve ostale strojeve u tu svrhu, prvenstveno zato što se njegov izvor iona, cezijev raspršivač, opisan gore, nalazi u blizini potencijala zemlje i lako je dostupan za promjenu uzoraka. Ioni moraju biti negativni, no to se ne može pokazati hendikepom jer se lako i učinkovito proizvode. Prije ulaska u visokonaponsku cijev, ioni se analiziraju tako da u akcelerator ulazi samo snop koji izlazi na mjesto mase kozmogenog izotopa; intenzivna referentna izotopska zraka često se mjeri na ovom mjestu, a da uopće ne ulazi u akcelerator. Kozmogeni izotopski snop privlači se na visokonaponski terminal stroja gdje se sudaraju plin ili tanka ugljična folija ili oba uklanjaju različiti brojevi elektrona, ostavljajući predmetni izotop s raspodjelom višestrukih stanja pozitivnog naboja koja se odbijaju od pozitivno nabijeni terminal. Svi molekularni ioni su razgrađeni. Nastala greda tada prolazi kroz polja za analizu čiji je glavni magnet s visokom disperzijom glavni. Nakon izlaska iz analizatora, snop ulazi u detektor. Svaki se ion pojedinačno ispituje na način koji omogućava utvrđivanje njegovog identiteta. Najčešći način to je korištenjem kombinacije dva detektora čestica: jedan detektor mjeri brzinu kojom čestica gubi energiju prilikom prijenosa određene duljine tvari, dok drugi istovremeno mjeri ukupnu energiju čestice. Brojanja se pohranjuju u kante dvodimenzionalnog računalnog niza, čije su koordinate zadane amplitudama signala dvaju detektora. Brojni ioni smeća preuzimaju vrijednosti dvaju detektora koji ispunjavaju područja podatkovnog polja, ali uglavnom ne preklapaju dobro definiranu regiju koju zauzima predmetni ion. Svaka vrsta izotopa zahtijeva posebno dizajniran detektorski sustav s raznim dodatnim analiznim poljima, au nekim slučajevima čak i primjenom tehnika letenja. Shematski dijagram spektrometra mase akceleratora prikazan je na slici 8.
