（理论物理专业论文）基于12ud加速器质谱测量129Ⅰ的方法研究.pdf

基于1 2 u d 加速器质谱测量1 2 9 i 的方法研究 摘要 1 2 9 i 的半衰期为1 5 7 m a 。尽管原始核合成的1 2 9 i 现在都已经衰变为m x e 了。但大气及地壳中能源源不断地生成1 2 9 i 。在大气层中，1 2 9 i 可由宇宙射 线与x e 发生散裂反应生成，小部分可由中子与t e 反应生成；在地壳中， 1 2 9 i 由瑚u 自发裂变和中子引起的2 3 钿裂变而生成。1 2 9 i 更主要的一种来源 是核爆和核能利用。4 0 年来，随着大量的核武器试验以及大量的核设施投 入应用，人工生成的n 9 i 已成为现代环境中1 2 9 i 的主要来源。一方面，实现 对1 2 9 l 的超高灵敏a m s 测量，可以为环境监测、地球物理的研究提供宝贵 的信息。近年来人工1 2 9 i 对环境的影响深受关注，这不仅是为了环境监测， 而且为脚i 在其它方面的应用提供数据。另外一方面，宇宙成因的1 2 9 i 可应 用于研究5 8 0m a 范围的宇宙线变化，天体物理和深海冲积物的年代等。 虽然中子活化法( n a a ) 和电感耦合等离子质谱法0 c p m s ) 也用于1 2 9 i 测定，但a m s 的灵敏度较之它们高约3 - 4 个数量级。同时，由于水环境和 大气环境样品中的1 2 9 i 含量很低( 1 0 6 1 0 s 原子数耳) ，利用n a a 和i c p m s 进行测量是难以实现的。a m s 测量方法因为具有排除同量异位素本底、同 位素本底和分子本底干扰的能力，具有极高的测量灵敏度( 同位素原子数 之比达到1 0 - 1 5 ) ，所以成为测量1 2 9 i 的理想方法。 建立a m s 高精确度和高灵敏度测定n 9 l 的实验方法是国家自然科学基 金支持下的一项工作的重要组成部分，本工作是中国原子能科学研究院通 过与日本筑波大学合作来测量啪i 。实验是在日本筑波大学的1 2 u d 加速器 a m s 系统上完成的。论文工作研究的主要内容包括：1 ) 1 2 9 i 高精确度的测 量方法研究，通过制作静电偏转板来提高1 2 9 i 的测量准确度；2 ) 用于a m s 测量的1 2 9 i 标准样品的制备。 a m s 测量1 2 9 i 时，由于1 2 9 i 的同量异位素1 2 9 x e 的负离子不稳定，不 存在这种干扰。因此，1 1 的主要干扰成分是同位素，即具有和1 1 相同磁 刚度的1 2 7 i 离子。如何有效地用物理方法排除n 7 i 的干扰是实现n 9 i 高灵敏 度测量的关键。采用a g i 样品和从离子源引出r 离子，日本筑波大学加速 器系统低能柬流线上的1 2 0 6 偏转磁铁和注入磁铁能够很好地捧除1 2 7 i ，但是 测量的灵敏度及准确度还不是很高。因此，在筑波大学的1 2 u d 串列加速 器上开发了一套改进的1 2 9 i 加速器质谱( a m s ) 测量方法，包括在1 2 0 。磁铁后 安装了一副自行设计制作的静电偏转板，有效改善了对n 7 i 束流和1 2 9 i 计数 的测量；采用9 7 m 0 0 2 分子离子导航束稳定加速器端电压，使加速器的端电 压能稳定在几天内不超过o 1 ，结合二次剥离，取得了满意的测量效果。 用该方法测得a g i 试剂样品的灵敏度为7 8 3 x 1 0 1 3 。对1 2 9 i ，1 2 7 i 比值范围为 ( 4 9 2 - 0 2 8 ) x 1 0 加的一系列样品的测量不确定度在士7 以下，准确度较前有 所提高。 本人在论文工作中的主要贡献是：计算了通过1 2 0 。磁铁后，在位于真空 室中的法拉第筒( i s - f c 2 ) 处1 2 9 i 与1 2 7 i 的距离，重点参与了静电偏转器的制 作以及测量n 9 i 的实验调试过程，负责了数据分析和处理工作。 关键词：加速器质谱1 2 9 i 标准样品静电偏转板导航分子离子柬 n am e t h o df o r1 2 9 1 a m sm e a s u r e m e n tb a s e do n1 2 u d a c c e l e r a t o r a b s t r a c t 1 2 9 1i sal o n g 1 i v e d ( 1 5 7m a ) r a d i o n u c l i d e a l t h o u g ha l lt h e1 2 9 ip r o d u c e d d u r i n gt h ep r i m o r d i a ln u c l e o s y n t h e s i sh a sn o wd e c a y e di n t o1 2 9 x e 1 2 9 ii s c o n t i n u o u s l yp r o d u c e db yn a t u r a lp r o c e s s e si nt h ee a r t h sa t m o s p h e r ea n dc r u s t i nt h e a t m o s p h e r e ，c o s m o g e n i c 1 2 9 ii s p r o d u c e d - b yc o s m i c - r a y - i n d u c e d s p a l l a t i o no fx e n o na n d , i nm i n o rq u a n t i t i e s ，b yn e u t r o nb o m b a r d m e n to f t e l l u r i u m i nt h ee a r t h sc r u s t , t h em a i ns o u r c eo f1 2 9 ii ss p o n t a n e o u sf i s s i o no f 2 3 8 ua n dt h e r m a ln e u t r o ni n d u c e df i s s i o no f2 ”u h o w e v e r , t h eg r e a t e s ts o u r c e s o f1 2 9 ia r ea b o m bt e s t sa n dt h eu s i n go fn u c l e a re n e r g y , s o t h em a i ns o u r c eo f e n v k o n m e n m l1 2 9 ii sf r o ma n t h r o p o g e n i cw i t hag r e a tq u a n t i t yo fn u c l e a r w e a p o n s t e s ta n dn u c l e a rf a c i l i t i e s a p p l i c a t i o n i f1 2 9 ih i g hs e n s i t i v i t y m e a s u r e m e n tc a nb er e a l i z e d , i tc a n p r o v i d e v a l u a b l ei n f o r m a t i o nf o r i n v e s t i g a t i o no f e n v i r o n m e n tm o n i t o ra n d p h y s i c a lg e o g r a p h y r e c e n t l yr e l e a s e s o fa n t h r o p o g e n i c1 2 9 ih a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ne n v i r o n m e n ta n dh a v e a l r e a d yb e e np a i da t t e n t i o nt o ，i ti sn o to n l yf o re n v i r o n m e n tm o n i t o r , b u ta l s o c a np r o v i d ed a t af o r1 2 9 ii no t h e ra p p l i c a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d 1 2 9 ip r o d u c e d b yn u c l e a rr e a c t i o n sb e t w e e nc o s m i cr a y sa n dm a t t e rc a nb ea p p l i e dt os t u d yt h e c h a n g eo fc o s m i cr a y sr a n g ef r o m5m at o8 0m a , t h ec h r o n o m e t e r so f a s t r o p h y s i c sa n dd e e ps e as e d i m e n t a t i o na n d s oo n a l t h o u g h1 2 9 ic a l lb em e a s u r e db yn a a o ri c p m s ，t h es e n s i t i v i t yo f t h e s e m e t h o d si sl i m i t e d t h es e n s i t i v i t yo f1 2 9 ia m sh a v e3 4o r d e r so fm a g n i t u d e h i g h e rt h a nt h a to fn a a o ri c p m s i ti s v e r yd i f f i c u l t t om e a s u r e1 2 9 i c o n c e n t r a t i o no fw a t e ra n da t m o s p h e r ee n v i r o n m e n ts a m p l e sb yn a ao r i c p m sb e c a u s eo f t h el o wc o n c e n t r a t i o no f1 2 9 i ( 1 0 6 1 0 8 a t o m s ) a m sm e t h o d s h a v eu l t r a - s e n s i t i v ed u et ot h e a b i l i t y t oe l i m i n a t e i s o b a r s ，i s o t o p e s a n d m o l e c u l e si n t e r f e r e n c e ，t h er a t i oo fr a d i o n u c l i d e st os t a b l ei s o t o p e sc a nr e a c ht o 1 0 1 5 s oa m sb e c o m ea ni d e a lm e t h o dt om e a s u r e1 2 9 i t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h i s w o r kw a sf i n i s h e db yc o o p e r a t i n gw i 廿lu n i v e r s i t yo ft s u k u b a t h ee x p e r i m e n t i s o p e r a t e d a lt h et a n d e ma c c e l e r a t o rc o m p l e x u n i v e r s i t yo ft s u k u b a ( u t t a c ) ，i nj a p a n t h eg o a li s t oe s t a b l i s hah i g hp r e c i s i o nm e t h o df o r 1 2 9 1 a m s t h em a i nc o n t e n to ft h i sw o r ki sa sf o l l o w s ：1 1a ne l e c t r o s t a t i c d e f l e c t o rw h i c hc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo f1 2 9 i - a m sh a sb e e nd e v e l o p e d t h e e l e c t r o s t a t i cd e f l e c t o rj u s ts e ta t 粕i m a g eo ft h e1 2 0 。m a g n e t 2 1t h ep r o c e d u r e f o r1 2 9 1 a m ss t a n d a r ds a m p l e sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ea m sd e t e c t i o no f1 2 9 1m e a s u r e m e n ti ss i m p l eb e c a u s et h ea b s e n c eo f i s o b a r i ci n t e r f e r e n c e 1 2 9 x ei st h eo n l ys t a b l ei s o b a r , i td o e sn o tf o r mn e g a t i v e i o n s t h em a j o ri n t e r f e r e n c ei si s o t o p e “7 1w h i c hh a v et h es a m em a g n e t i c r i g i d i t yo f1 2 9 1 t h ek e yt o r e a l i z e1 2 9 i h i g hs e n s i t i v i t ym e a s u r e m e n ti st o e l i m i n a t e “7 1i n t e r f e r e n c eb yp h y s i c a lm e t h o d s t h ec h e m i c a lf o r mo fs a m p l ei s a 出a m sm e a s u r e m e n t so f 1 2 9 1c a nb ep e r f o r m e db ye x t r a c t i n gv n e g a t i v ei o n s ， a f t e rt h ei o n sp a s st h o u g h1 2 0 。m a g n e ta n di n j e c t i o nm a g n e t , t h em o s to f1 2 7 1 。 n e g a t i v ei o n sc a nb ee l i m i n a t e d , b u tt h e1 2 9 1s e n s i t i v i t ya n da c c u r a c yi sn o ts o h i g h , s oa ni m p r o v e d1 2 9 1 - a m sm e a s u r e m e n tm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e do nt h e 1 2 u dt a n d e ma c c e l e r a t o ra tt h eu n i v e r s i t yo ft s u k u b a a sm e n t i o n e da b o v e ， t h e s ei m p r o v e m e n t si n c l u d em a k i n ga ne l e c t r o s t a t i cd e f l e c t o ra n di n s t a l l i n gi t b e h i n dt h e1 2 0 。m a g n e tt om e a s u r e1 2 7 1c u r r e n ta n d1 2 9 1c o u n ta l t e r n a t e l y ；u s i n g 9 7 m 0 0 2m o l e c u l a rp i l o tb e a mt os t a b i l i z ea c c e l e r a t o rt e r m i n a lv o l t a g e ，b yt h i s w a y , t h et e r m i n a lv o l t a g ei sk e p ts t a b l yw i t h i no 1 a c c u r a c y c o m b i n i n gw i t h s e c o n ds t r i p p e r , t h i sm e t h o di ss u c c e s s f u l t h el e v e lo f s e n s i t i v i t yi s7 8 3x1 0 1 f o ra g ir e a g e n ts a m p l e t h eu n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n ti sl e s st h a nq - 7 f o ra s e r i e so f s a m p l e sw h i c hv a l u e so f l 2 9 2 7 1r a t i oa r e 似9 2 - 0 2 8 ) x1 0 0 c a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e n1 2 9 ia n d1 2 7 ia tt h ep o s i t i o no faf a r a d a y c u p ( i s f c 2 ) i n s t a l l e dj u s ta f t e ra1 2 0 m a g n e t d e s i g n i n g a n di n s t a l l i n g 锄 e l e c t r o s t a t i cd e f l e c t o ra tt h ec h a m b e r , a n da n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r e m ym a i nc o n t r i b u t i o n k e yw o r d s ：a c c e l e r a t o rm a s s s p e c t r o m e t r y ；1 2 9 1 s t a n d a r d s a m p l e ； e l e c t r o s t a t i cd e f l e c t o r ；m o l e c u l a rp i l o ti o nb e a m v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名阀卑桶硼年石月1 7 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 啦口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一：l 司军胡一名：凯七 6 月1 日 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量。i 的方法研究 第一章引言 加速器质谱计( a m s ) 是二十世纪七十年代后期发展起来的一种分析微量核素和探 测稀有粒子的新方法，第一个a m s 实验研究是在1 9 3 9 年，a l v a r e z 和c o m o g 利用回旋 加速器测量了自然界中3 h e ，证明了3 h e 的存在【i j 。但在其后的四十年时间里没有任何 a m s 的工作( 尽管当时有人提出用传统的质谱技术测量1 4 c t 2 j ，其后s c h n i t z e 4 3 1 等人也 用传统的质谱技术对1 4 c 进行了尝试性的测量) 。直到1 9 7 7 年，m u l l e r 首次利用回旋加 速器对1 4 c 和3 h 进行了测量【4 】，同年m c m a s t e r 和r o c h e s t e r 大学的两个科学小组分别用 静电加速器开展了对1 4 c 的测量i s ，6 】。此后利用各种类型加速器进行的a m s 研究工作迅 速开展起来，不仅只限于对1 4 c 的测量，还对各种其它的微量元素进行7 成功的测量， 包括1 0 b e f 7 】3 6 c l 【叼, r a i l 9 , 1 0 ，1 1 1 等等。 1 2 9 i 的半衰期为1 5 7 m a 。尽管原始核合成的1 2 9 i 现在都已经衰变为1 2 9 x e 了。但大 气及地壳中能源源不断地生成1 2 9 i 。在大气层中，1 2 9 i 可由宇宙射线与x e 发生散裂反应 生成，小部分可由中子与t e 反应生成；在地壳中，1 2 9 i 由2 3 8 u 自发裂变和中子引起的 2 3 5 u 裂变而生成。1 2 9 i 更主要的一种来源是核爆和核能利用。4 0 年来，随着大量的核武 器试验以及大量的核设施投入应用，人工生成的1 2 9 i 已成为现代环境中2 9 i 的主要来源。 一方面，实现对1 2 9 i 的超高灵敏a m s 测量，可以为环境监测、地球物理的研究提供宝 贵的信息。近年来人工1 2 9 i 对环境的影响深受关注，这不仅是为了环境监测，而且为1 2 9 i 在其它方面的应用提供数据。另外一方面，宇宙成因的1 毪可应用于研究5 - 8 0m a 范围 的宇宙线变化，天体物理和深海冲积物的年代等。 虽然中子活化法( n a a ) 和电感耦合等离子质谱法( i c p - m s ) 也用于1 2 9 i 测定，但a m s 的灵敏度较之它们高约3 _ 4 个数量级。同时，由于水环境和大气环境样品中的1 1 含量 很低( 1 0 6 1 0 8 原子数目) ，利用n a a 和i c p m s 进行测量是难以实现的。a m s 测量方 法因为具有排除同量异位素本底、同位素本底和分子本底干扰的能力，具有极高的测量 灵敏度( 同位素原子数之比达到1 0 i s ) ，所以成为测量1 2 9 i 的理想方法。 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量。i 的方法研究 1 1 关于自然界中的碘 1 1 i 稳定同位素1 ”i 碘在自然界只有1 2 7 i 一种稳定同位素。碘是一种亲生物元素，海生植物里碘元素的 含量非常丰富( 达到1 0 , 0 0 0 m g k g ) 1 2 i 。土壤中的碘也很丰富( 4 8 m g k g ) 。海水中碘的平均 浓度为e o g a ，湖泊等淡水中碘的平均浓度为1 - 2 0 v t g 1 ，雨水中为1 一 o v g a 。k o c h e i 【”j 给出了全球碘循环的方框图。如图1 1 所示。从图中可以看出，在海洋与海洋上空的大 气之间存在一个次循环。此外，在海洋深处有一个循环：海洋混合层停深层海水h 海 洋沉积物。大部分碘的含量位于沉积层和火成岩( 6 1 0 ”g ) ，图中没有画出。海洋中的 一部分碘元素通过蒸发等方式进入海洋上空，然后随着大气的流动而进入大气层中，然 后，随着降雨、降雪等方式进入地表层土壤中、水中、植被中。碘从土壤中转移到海洋 中的方式跟从大气中转移到土壤中的方式相似。 o c e n 鼻f f m o s p 范r e 8 3 x l o i o g 1 9 x 1 讲2 l 1 2 0 x 1 0 1 2 f1i 咖 o c 洲 m e ol y 目r 1 a , x 1 0 s g 能c t i t o c e a n s 日) i m e n t 8 & 9 倚，口 8 奎1 0 1 0 s m l l o w 黛j 戡湖f 齐 c e r e g i o n 4 x l f l e 3 口 2 9 1 1 f d 旺p 爱j b s u r f a c e i 蜒g o n 1 x 1 0 3 口 i q c d f t o s p h e r el f f h o s p h e r e 图1 1 全球碘循环方框图 2 2 9 - 佃i g 咿 笠零 辨，撕瓦鬯铲 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量1 1 的方法研究 碘在海水中主要r 和1 0 3 - 的形式存在，另有一部分有机碘【1 4 l 。实验证明表层海水中 碘主要以碘化物( i - ) 的形式存在( 大于5 0 以上) 。其浓度随着海水的深度而减小【”1 。为了 解释这种现象，t s u n o g a i 1 6 】等人认为在海水的上层中，1 0 3 傲还原为r 。在深层海水中， 碘酸盐( 1 0 3 3 的含量很高( 5 0 l o o ) 。另外，在严重缺氧的条件下，碘主要以碘化物的 形式存在，而碘酸盐的含量很少，几乎无法测量到。例如波罗的海与黑海。 海洋中的碘主要以c h 3 i 气体的形式进入大气层【1 7 1 ，这种假设后来通过对海水样品 的测量得到了证实：发现了大量饱和的c h 3 i ，这主要是由海水中的海藻和浮游生物生 成的，当它们死亡时，就会生成大量的c h 3 i 并释放到大气中【嘲。另一种解释碘元素进 入大气的机制是：碘化物通过光化学氧化反应( p h o t o c h e m i c a lo x i d a t i o n ) 或者通过与大 气中臭氧反应转化为碘元素而进入大气【l 一。对流层中碘的光化学氧化机制还没有完全弄 明白，但是，可以肯定的是，一旦1 2 与c h 3 i 进入大气层，就会在光解作用下转化为i 原子【l 研。其大致过程如下： 1 2 + n , _ i + i c h 3 i + h v 寸c h s + i 可能与0 3 、n o x 等发生的反应有： i + 0 3 - i o + 0 2 1 0 + n o 专i + n 0 2 这些反应导致了大气中碘主要以气体和分子的形式存在。碘分子、无机碘化合物以及有 机碘气体( 主要是c h 3 d 在大气中的停留时间分别为1 4 、1 0 、1 8 天【嘲。碘在大气中的浓 度范围从几个n g m 3 到几百个n g m 3 ，全球平均为2 0 n g m 3 1 7 1 。地下水中碘的浓度( 主要 以碘化物的形式存在) 一般小于5 嵋，1 。但是w h i t e h e a d 指出在一些高盐度或者与海水混 合的地下水中，碘的浓度为5 0 l o o 嵋，l 。河流和湖泊等表层淡水中碘的浓度小于海水中 碘的浓度。研究表明，河流中碘的浓度范围在2 2 4 2 4 峙，l ，并且主要以碘化物的形式 出现【1 4 1 ，而且碘的浓度跟这一带地区的盐碱度有很大的关系，当盐碱度接近于0 时。碘 的浓度也就可以忽略了。 火成岩中碘的含量非常均匀，平均浓度为0 2 4 m g k g 。相对于火成岩，水成岩( 例如 最近的沉积、砂岩、页长岩、碳酸盐) 碘的含量要高得多，从几个m g k g 到2 0 0 m g k g 1 2 1 。 土壤中含有丰富的碘，平均为5 m g k g 。土壤的p h 值的大小决定了碘以碘化物还是以碘 3 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量”i 的方法研究 酸盐的形式存在。在酸性条件下，i 离子很容易转化为h 而蒸发到大气中；在碱性条件 下，碘主要以碘酸盐的形式存在，不会挥发到大气中。因此，一般p h 值高的土壤中， 碘的浓度也就高一些。 1 1 2 1 的来源 1 2 9 i 的半衰期为1 5 7 m a 。尽管原始核合成的1 2 9 i 现在都已经衰变为1 2 9 ) ( e 了。但大 气及地壳中能源源不断地生成1 2 9 i 。在大气层中，1 2 9 i 可由宇宙射线与) ( e 发生散裂反应 生成，小部分可由中子与t e 反应生成；在地壳中，1 2 9 i 由瑚u 自发裂变和中子引起的 2 3 5 u 裂变而生成。1 2 9 i 更主要的一种来源是核爆和核能利用。6 0 年来，大量的核试验和 大量的核设施投入释放出来的1 2 9 i ，已导致自然界中1 2 9 v 1 2 7 i 从1 0 1 2 上升了几个数量级 2 0 l 。1 9 8 6 年4 月2 6 日发生在原苏联切尔诺贝利的一场核能大事故，释放出了大量的放 射性核素到环境中，包括1 x e 、驺鼬、1 3 1 i 、1 2 9 1 、1 3 2 t e 、1 3 4 c s 等等。c s 、i 、t e 等属于易 挥发性元素，容易进入大气中。这次事故大概有1 3 k g ( 6 x 1 0 ”a f t o r r l s ) 1 2 9 1 释放到了大气 中【2 1 1 。 1 2 国内外在1 2 9 i 测量方面的研究现状 1 2 9 i 的同量异位素是1 2 勺沁，由于它的电子亲和势小于0 ，所以1 2 9 x e 的负离子不稳 定，在加速器质谱测量1 2 9 i 的过程中不存在同量异位素干扰。但是，当1 2 i 离子的能量 比1 2 9 i 离子高大约1 5 时，1 2 9 i 和1 2 7 i 具有相同的磁刚度，因此存在同位素于扰。国内 外许多国家都采用了飞行时间探测器来鉴别1 2 9 i 和1 2 7 i 瞄洲。较早用加速器测量1 2 9 l 是d e l m o r e e l 0 1 。以后各个实验室相继开展了用加速器质谱对1 2 9 i 的测量。最近的国外的 一些测量情况如：加拿大多伦多大学的i s o t o p ea n dr a r ea t o mc o u n t i n ge q u i p m e n t ( i s o t r a c e ) ，日本m i c r o - a n a l y s i s l a b o r a t o r y t a n d e m ( m a l t ) 、德国的m a i e r - l e i b u i t z l a b o r a t o r y ( m l l ) ，结果列在表1 - l 中。 国内主要是中国原子能科学研究院( c i a e ) 对1 2 9 i 进行了测量【凹3 0 , 3 1 1 ，主要是对我 国一些地区环境水样品进行了伪i 的测定，初步给出了我国一些地区1 1 的分布情况， 为我国进行1 1 的环境评价提供了数据。 此外，1 2 9 i 在环境中的水平和行为是国际上十分重视的研究课题，各国科学家对此 进行了许多研究，提出了环境样品分析测定方法( 见表1 - 2 ) 2 9 1 。并进行了环境介质中 4 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量1 1 的方法研究 1 2 9 i 的实际测定，美国、欧共体国家及日本等还把1 2 9 i 纳入常规监测。多数国家都用中 子活化法( ( n a a ) 和电感耦合等离子质谱法( i c p - m s ) 对1 2 9 i 进行了测量，但是灵敏度都不 高，另外一方面，采用中子活化法需要注量率很高的中子源( n x l 0 1 3 s c m 2 ) ，这给广泛 测量带来了困难。而a m s 测定能有效地排除干扰，大大提高了1 拶i 测量的灵敏度。因 此，利用a m s 测定1 2 9 i 浓度的方法应用得越来越广泛。 表1 - 1 国际上对1 2 ，i 测量的方法和结果对比 表1 2 环境样品中1 的测定方法 样品种类 测定方法最小探测限 土壤中子活化分析4x 1 0 - 4b q n 喀( 干土) 鲜海藻中子活化分析7 1 0 。b q k g 鲜牛奶中子活化分析 7 1 0 4b q k g 蔬菜 诱导对偶等离子质谱仪9 1 0 。b 矾。 空气激光荧光谱仪1 5 x 1 0 - 4 3 l o - 5 b q 水 串列质谱计1 0 “o b q l 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量啪i 的方法研究 第二章加速器质谱结构及原理与国内外测量1 2 9 i 的方法 加速器质谱计( a m s ) 是二十世纪七十年代后期发展起来的一种分析微量核素和探 测稀有粒子的新方法，它是在传统质谱分析方法的基础上结合核物理实验所用的加速器 和离子鉴别手段，有效排除了各种本底干扰，从而使其具有灵敏度高( 同位素原子数比 达到1 0 1 5 ) ，样品用量少( m g ) ，测量时间短等优势。 2 1 普通质谱及其局限 普通质谱计系统一般由离子源、磁分析器或电分析器、探测部分等组成( 如图2 1 ) ， 它主要是根据粒子的荷质比不 同而实现对粒子的鉴别。在普通 质谱中，被电离的离子从样品中 引出，被加速到大约几到几十 k e v ，然后利用磁场和电场对离 子进行选择，由法拉第筒或者电 子倍加器对其测量。由于其特点 的限制，对于荷质比相同的核 m - i 肼膨 l 图2 1 普通质谱计原理简图 素，普通质谱计不能从中识别出 特定的核索。尤其是分析样品中的微量核素时( 相对量 1 0 - 1 0 ) ，会遇到一些难以克服的 本底干扰。例如：测量3 6 c l 时同量异位素3 6 s 的干扰，测量1 4 c 时分子本底住c h 2 + 的干 扰等，另外，壁上和残余气体引起的散射本底也对测量造成一定的干扰。对于这些干扰， 普通质谱要将它们分开，则要求质谱计的质量分辨率极高( 膨铷企1 0 5 ) ，而这时离子的传 输效率就会大大降低，以至于无法工作。另外，普通质谱计测量时，一般从离子源中引 出正离子，这就导致了本底的比例相对较高，也就限制了测量灵敏度的提高。 2 2 a m s 原理 a m s 系统一般由离子源、加速器、磁分析器或电分析器、探测器等几部分组成， 6 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量”i 的方法研究 它是基于加速器技术与探测器技术而建立的一种高灵敏测量方法。其基本原理是：首先 将待分析样品在离子源中电离并引出，经注入系统进入加速器，然后由加速器将离子的 能量加速到m e v 核子。被加速的离子在加速器中被剥离，然后经过电荷态的选择，再 通过类似于普通质谱所用的一些磁分析器和电分析器排除大量的干扰本底，最后由探测 器对待测离子进行鉴别和测量。在离子能量被加速器加速n m e v 核子时，普通质谱所 遇到的局限性就可以得到解决或极大地减小。因为在这种情况下：( 1 ) 通过剥离可以排 除分子离子的干扰；( 2 ) 由于离子能量高会降低散射及电荷交换的几率；( 3 ) 利用核探测 器可以对离子的质量和荷电荷数进行鉴别，实现样品的高灵敏度分析。在a m s 所用的 加速器中，串列加速器是最常用的加速器之一。 2 3 串列a m s 串列a _ m s 系统一般由负离子源、低能注入系统、串列加速器、高能传输与分析系 统和探测器等几部分组成( 如图2 2 ) 。它具有下列特点： ， 通过负离子源引出原子或分子负离子，可以排除一些同量异位素的干扰； 通过加速器中的膜剥离或气体剥离，可以排除一些分子离子的干扰： 通过磁分析器或电分析器及速度选择器，可以排除一些同位素的干扰； 通过探测器对离子进行鉴别，排除同量异位素和同位素的干扰。 串列a _ m s 简介如下。 图2 2 串列a m s 原理简图 2 3 1 离子源、注入器 一个理想的离子源应具有能提供的束流强度高，稳定性好，离子能散度小，转换效 7 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量”i 的方法研究 率高，记忆效应小等优点。铯溅射负离子源能很好满足上述要求，因此串列加速器实验 室一般都利用这种离子源。目前应用于a m s 的铯溅射负离子源分为铯枪型和强流型两 种。强流型离子源已广泛应用于a m s 系统，它的柬流比铯枪型束流高一个数量级。 通常是用磁分析器对离子源引出的负离子束进行质量分析。由于被测核素的同位素 丰度一般小于1 0 1 2 ，因此相邻质量的强峰拖尾应得到抑制。离子的能量从离子源引出时 不是单一的，在高能和低能方向都有拖尾，高能拖尾是由于溅射过程中铯离子对负离子 的能量传递所至，实验表明，高能拖尾的d n d e 大致正比于1 e 2 3 2 1 。低能拖尾则是由 于离子源引出的激发态分子离子退激离解成原子离子而损失部分能量的结剁3 3 1 。 2 3 2 加递器 、 加速器是将离子进行加速剥离的装置。它将负离子加速到端部，经膜或气体剥离使 负离子转换成多电荷态正离子，然后对离子进行再加速。此时如果入射离子为分子离子， 这些分子离子在经过端部剥离时会由于库仑斥力而分解为原子离子。目前应用于a m s 加速器的端电压一般在1 - 2 0m v 。 串列加速器可以采用膜剥离和气体剥离，它们都有各自的优缺点。膜剥离可以获得较 高的电荷态，操作简单，但膜的寿命较短，而且会引起束流相对较大的能散和角散。气体 剥离不存在寿命问题，束流品质也较好。但气体剥离时离子的平均电荷态较低，而且细 长的剥离管道具有较小的束流接受度，影响束流传输并引起分馏效应，并且还会引起加 速管中真空度下降，由此引起的散射和电荷交换会损失离子和增加干扰本底。 2 3 3 高能分析与传输系统 高能分析系统一般由下列装置组成： ( 1 ) 磁分析器。离子在磁场中遵循这样的关系：2 ( m q ) ( e q ) = 七( 肼) 2 ，即：利用磁 分析器选定( m q ) ( e q ) 。 ( 2 ) 静电分析器。离子在电场中遵循的关系式为：2 e q = 毛盯，由静电分析器选定 z q ( 3 ) 速度选择器。将电场和磁场以适当的角度叠加在一起使得具有特定速度的离子 不发生偏转，从而可以排除速度不同的离子。g a r y 2 = 2 ( g q ) ( m q ) = 岛f 2 矿，可选择 ( e q ) c m q ) 。 s 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质馐测量1 氇的方法研究 其中：肼、及g 分别代表离子的质量、能量和电荷态，& 曰分别代表电场和磁场 强度，为离子的偏转半径，k 为常数。从原则上讲，以上三种分析器中任意两种的组 合可唯一选择一种离子。但离子与分析器器壁和残余气体的电荷交换又会产生新的干扰 本底，因此在高能分析系统中引入第三个分析器有助于本底的排除。 2 3 4 探测器 应用于a m s 的探测器主要有以下几种： a e - e 气体探测器：根据不同粒子在同一种气体中单位路程上能量损失的不同实现 对同量异位素的鉴别。 b r a g g 探测器：根据不同的离子在电离室中具有不同的布拉格峰值p ) ，通过测量 b p 的幅度值，对同量异位素进行鉴别。 飞行时间( t o f ) 探测器：根据能量相同但质量不同的离子在一定距离上的飞行时 间不同。实现同位素的鉴别。 x 射线探测器：是为解决重核同量异位素或者在能量比较低时排除同量异位素所采 用的一种探测器。利用s i ( l i ) 或高纯锗探测器测量离子通过靶时发射的特征x 射线就可 以排除同量异位素的干扰。 以上几种探测器中应用最广泛的是址堰气体探测器 3 4 1 ，因为它不仅能高效率地记 录被测核素，同时还可以利用它来鉴别一些干扰离子( 同量异位素离子、同位素及其它 离子) 。我们知道，当同量异位素之间的质量差小于1 0 5 时，通常的电磁质谱分析器很 难将它们区分开。鉴别它们的途径之一是依据b e t h e b l o e h 公式，即不同原子序数的粒 子通过物质时在单位路程上的能量损失率不同。同量异位素的能量相同时，二者的能量 损失率大小直接同原子序数的平方成正比，通过测定粒子的能量损失率可以确定原子序 数，即利用离子在介质中的能量损失率a e 与离子的荷电荷数z 有关而排除同量异位素 的干扰。其基本原理如下： 由b e t h e b l o e h 公式： 一d e 华i n ( 芝) (21)dx v 2、一v 2 7、7 其中：v 是粒子速度，c 是光速，口和b 是与阻止物质相关的常数，z 是原子序数。 如果略去慢变化的对数项，式( 2 1 ) 可化为： 9 广西大学硕士学位论文基于1 2 u d 加速器质谱测量”i 的方法研究 面啾丁 这里k 是常数。式( 2 2 ) 也可以转化为另一种形式： e 些：毛尬2 其中e 是粒子的能量，m 是粒子质量，白是常数。 2 4 a m s 测量过程 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 利用a m s 分析微量核素，大体上要经过以下几个阶段：( 1 ) 样品在离子源中的电 离；( 2 ) 离子的加速和分子的瓦解；( 3 ) 高能分析与传输( 4 ) 粒子的鉴别。 2 4 1 样品在离子源中的电离 a m s 测量中，束流的大小是影响测量灵敏度的关键因素。由于负离子源可以利用 某些元素负离子的不稳定来消除同量异位素的干扰，所以在串列a m s 中主要采用铯溅 射负离子源! 其基本原理是：铯蒸气通过灼热的钨游离器被离解成铯离子流，被高压加 速和聚焦后轰击靶锥