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加速器质谱技术及其在环境科学中的应用

2017-01-11 10:35
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长寿命的宇宙射线成因核素和人工生成核素如14C、10Be、26Al和129I等在环境科学具有非常重要的意义。由于他们半衰期长、含量及其低(同位素丰度比在10-10—10-16范围),采用传统质谱和放射性测量方法都不能够对其准确测量,目前只有加速器质谱(AMS)是能够对其有效的测量。本文介绍AMS原理、技术发展现状、测量方法以及在环境保护中的应用。

因地质和考古等学科发展的需求,随着加速器技术和离子探测技术的发展,于上世纪七十年代末诞生了一种新的核分析技术—加速器质谱(accelerator mass spectrometry,简称AMS)技术。AMS是基于加速器和离子探测器的一种高能质谱,属于同位素质谱(MS),它克服了传统MS存在的分子本底和同量异位素本底干扰的限制,因此具有极其高的同位素丰度灵敏度。目前传统MS的丰度灵敏度最高为10-8,AMS则达到了10-16。AMS不仅具有如此高的分析灵敏度,还有样品用量少(ng量级)和测量时间短等优点。因此AMS为地质、考古、海洋、环境等许多学科研究的深入发展提供了一种强有力的测试手段。

AMS的发展可以追溯到1939年,Alvarez和Cornog利用回旋加速器测定了自然界中3He的存在。在之后的近40年中,由于重粒子探测技术和加速器束流品质等条件的限制,一直没有开展任何关于AMS的工作。随着地质学、考古学等对14C, 10Be等长寿命宇宙成因核素测量需求的不断增强,为了解决衰变计数方法和普通质谱测量方法测量灵敏度不够高的问题,1977年,Muller提出用回旋加速器探测14C,10Be等长寿命放射性核素的建议。几乎同时,美国Rochester大学的研究小组提出了用串列加速器测量14C的计划。加拿大McMaster大学和美国Rochester大学几乎同时发表了用串列加速器测量自然界14C的结果。从此,AMS作为一种核分析技术,以其多方面的优势迅速发展起来。至2016年,专门的AMS国际会议已经召开了13次,有近90个AMS实验室,130多台AMS装置开展了相关工作,其中我国有中国原子能科学研究院、北京大学、西安地球环境研究所和广州地球化学研究所四个AMS实验室,另外还有广西师范大学等7个大学和研究单位正在建设当中。应用研究工作几乎涉及所有研究领域,并且在许多研究领域取得了重要研究成果,发挥着越来越不可替代的作用。

AMS目前主要用于分析自然界长寿命、微含量的宇宙射线成因核素与核反应堆等核设施运行生成的人造长寿命核素,如10Be(1.5×106 a)、14C(5730 a)、26Al(7.5×105 a)、32Si(172 a)、36Cl(3.0×105 a)、41Ca(1.0×105 a)、129I(1.6×107 a)等等。它们的半衰期在102 ~ 108 年的范围,天体和宇宙间许多感兴趣的过程正是在这个时间范围内。作为年代计和示踪剂,它们可提供自然界许多运动、变化以及相互作用等相关信息,广泛应用于地质、考古、环境、生物医学、材料等许多学科。

1 AMS原理与特点

1.1 加速器质谱的工作原理

AMS是基于加速器和离子探测器的一种高能质谱,属于一种具有排除分子本底和同量异位素本底能力的同位素质谱。普通MS与AMS原理图如图1所示。

加速器质谱技术及其在环境科学中的应用

图1  普通MS与AMS原理图

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