一台小型重核素加速器质谱仪的物理设计

【作者】 姜山； 何明； 包轶文； 董克君；

【机构】 中国原子能科学研究院,核物理研究所加速器质谱实验室；

【摘要】 加速器质谱（AcceleratorMass Spectrometry,AMS）是基于加速器和离子探测器的一种高能质谱,属于一种同位素质谱（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,对于¹⁴C（5730年）,¹⁰Be（1.5×10⁶年）,³⁶Cl（3.0×10⁵年）等较轻核素的测量的丰度灵敏度达到了10^-15(传统MS的同位素丰度灵敏度最高为10^-8)。对于质量数大于100的重核素测量由于加速器剥离效率降低和传输效率下降,其丰度灵敏度的测量一般在10^-11-10¹³范围,这对于重核素的测量其灵敏度还不够高,不能够很好地满足研究的需求。研究表明:小型AMS系统（端电压小于等于1Mv）能够有效提高对重核素测量的灵敏度。2013年我们在国际上首次提出了小型重核素AMS装置（见图1）,并在两次国际会议上作为邀请报告进行了交流[1,2]。该AMS装置采用端电压为0.35MV串列加速器,与目前的HI-13串列等大型AMS相比,它可以提高剥离效率和传输效率3-10倍。另外,本0.35MV的串列加速器采用大气条件代替了有钢桶式串列加速器,降低建造成本和维护费用。为了降低分子碎片本底和同位素本底的干扰,测量时加速器剥离后主要选用1⁺电荷态的离子进行分析与测量。该装置对重核素测量的丰度灵敏度可达到1 0¹²-10¹⁴。0.35 MV的小型重核素AMS装置有如下四个方面的优势:第一、小型AMS装置实现重核素的高灵敏测定具有十分重要的科学意义和应用前景。第二、与大型AMS相比,小型AMS能够克服剥离效率和传输效率低的缺点,能够有效地控制和减少AMS仪器本底（分子碎片本底和同位素本底）,因此能够提高测量灵敏度[3,4]。第三、小型AMS装置建设费用低、运行维护成本更低。有利于推动小型AMS装置的常规化测量。第四、拥有自主知识产权,对于提升我国AMS技术水平和科学仪器制造能力具有十分重要意义。更多还原