قياس الطيف الكتلي

مطياف الكتلة المعجل

تطوير

يمكن النظر إلى مسرعات الجسيمات المستخدمة في الفيزياء النووية على أنها مقاييس طيف الكتلة لأشكال مشوهة إلى حد ما ، ولكن العناصر الرئيسية الثلاثة - مصدر الأيونات والمحلل والكاشف - موجودة دائمًا. استخدم LW Alvarez و Robert Cornog من الولايات المتحدة لأول مرة مسرع كمطياف الكتلة في عام 1939 عندما استخدموا سيكلوترون لإثبات أن الهيليوم 3 (³ He) كان مستقرًا بدلاً من الهيدروجين 3 (³ح) سؤال مهم في الفيزياء النووية في ذلك الوقت. كما أظهروا أن الهليوم 3 كان مكونًا من الهليوم الطبيعي. كانت طريقتهم هي نفس الطريقة الموضحة أعلاه لأوميجترون باستثناء أنه تم استخدام سيكلوترون كامل الحجم ، وسهل تمييز النظيرين. لم يتم استخدام الطريقة مرة أخرى لما يقرب من 40 عامًا ؛ ومع ذلك ، فقد وجدت تطبيقًا في قياس النظائر الكونية ، النظائر المشعة التي تنتجها الأشعة الكونية على الأرض أو الأجسام الكوكبية. هذه النظائر نادرة للغاية ، ولديها وفرة في حدود مليون جزء من العنصر الأرضي المقابل ، وهي نسبة نظيرية تفوق بكثير قدرات مطياف الكتلة الطبيعية. إذا كان نصف عمر النظير الكوني قصير نسبيًا ، مثل البريليوم -7 (⁷ كن ؛ 53 يومًا) أو الكربون 14 (¹⁴ درجة مئوية ، 5730 سنة) ، يمكن تحديد تركيزه في العينة عن طريق العد الإشعاعي ؛ ولكن إذا كان نصف العمر طويلًا ، مثل البريليوم -10 (¹⁰ بي ؛ 1.5 مليون سنة) أو الكلور -36 (^{36 سي} إل ؛ 0.3 مليون سنة) ، فإن هذه الدورة غير فعالة. ميزة مطياف الكتلة المسرع الكبير عالي الطاقة هو الانتقائية الرائعة للكاشف التي تنتج عن أيونات لديها طاقة أكثر 1000 مرة من أي آلة متاحة سابقًا يمكن أن توفرها. تواجه مطياف الكتلة التقليدية صعوبة في قياس الوفرة أقل من مائة ألف من النظير المرجعي ، لأن الأيونات المتداخلة متناثرة في موقع المحلل حيث يتم البحث عن نظائر منخفضة الوفرة. يمكن أن تؤدي النهايات المفرطة من الفراغ العالي والاحتياطات المضادة للتشتت إلى تحسين ذلك بعامل 10 وليس عامل 100 مليون المطلوب. يعاني المعجل من هذا العيب إلى درجة أكبر ، ويتم العثور على كميات كبيرة من أيونات "القمامة" في موقع المحلل المتوقع للنظير الكوني. إن قدرة أنواع معينة من كاشفات الجسيمات النووية على تحديد الأيونات ذات الصلة بشكل لا لبس فيه تمكن مطياف الكتلة المعجل من التغلب على هذا النقص والعمل كأداة تحليلية قوية.

تشغيل مسرع كهرباء ترادفي

يعمل مسرع الإلكتروستاتيك الترادفي (انظر معجل الجسيمات: مولدات Van de Graaff) على تحريك جميع الأجهزة الأخرى لهذا الغرض بسرعة ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أن مصدره الأيوني ، مصدر بصاق السيزيوم الموصوف أعلاه ، يقع بالقرب من إمكانات الأرض ويمكن الوصول إليه بسهولة لتغيير العينات. يجب أن تكون الأيونات سلبية ، لكن هذا لا يثبت أنها عائق حيث يتم إنتاجها بسهولة وكفاءة. قبل دخول الأنبوب عالي الجهد ، يتم تحليل الأيونات بالكتلة بحيث لا يدخل سوى المعجل في موقع كتلة النظائر الكونية. غالبًا ما يتم قياس حزمة النظائر المرجعية المكثفة في هذا الموقع دون دخول المسرع على الإطلاق. تنجذب حزمة النظائر الكونية إلى محطة الجهد العالي في الماكينة حيث تصطدم الغازات أو رقائق الكربون الرقيقة أو كلاهما بأعداد مختلفة من الإلكترونات ، وبالتالي تترك نظير الموضوع بتوزيع حالات شحن موجبة متعددة يتم صدها بواسطة محطة ذات شحنة موجبة. يتم تفكيك جميع الأيونات الجزيئية. ثم يمر الشعاع الناشئ من خلال تحليل المجالات التي يكون مغناطيسها العالي التشتت هو الجزء الرئيسي. عند مغادرة المحلل ، يدخل الشعاع الكاشف. يتم فحص كل أيون بشكل فردي بطريقة تسمح بتحديد هويته. الطريقة الأكثر شيوعًا للقيام بذلك هي باستخدام مزيج من كاشفين للجسيمات: أحدهما كاشف يقيس معدل فقدان الجسيم للطاقة عند تمرير طول معين من المادة ، بينما يقوم الآخر بقياس الطاقة الإجمالية للجسيم في نفس الوقت. يتم تخزين التهم في صناديق مصفوفة كمبيوتر ثنائية الأبعاد ، يتم إعطاء إحداثياتها من خلال اتساع الإشارات من كاشفين. تأخذ أيونات "المهملات" العديدة قيمًا من كاشفين يملآن مناطق صفيف البيانات ولكن بشكل عام لا يتداخلان مع المنطقة المحددة جيدًا التي يشغلها أيون الموضوع. يتطلب كل نوع من النظائر نظام كاشف مصمم خصيصًا مع العديد من مجالات التحليل الإضافية ، وفي بعض الحالات ، حتى استخدام تقنيات وقت الرحلة. يظهر رسم تخطيطي لمطياف الكتلة المعجل في الشكل 8.