分类号密级
UDC
学位论文
加速器质谱测量32Si的方法研究
龚杰
指导教师姓名：何明（研究员、博士、中国原子能科学研究院）
姜山（副所长、研究员、硕士、中国原子能科学研究院）申请学位级别硕士专业名称粒子与原子核物理
论文提交日期2010年月日论文答辩日期2010年月日
学位授予单位和日期中国原子能科学研究院2010年7月
答辩委员会主席
评阅人
二○一○年六月
中国原子能科学研究院硕士研究生
学位论文
加速器质谱测量32Si的方法研究
龚杰
指导老师：何明研究员
姜山研究员
专业：粒子与原子核物理
研究方向：加速器质谱学
学位级别：硕士
二○一○年六月
Study on the Measurement of Silicon-32 with Accelerator Mass Spectrometry
By
Gong Jie
P.O.Box:275(50) Beijing 102413
Email: gongjie001@https://www.doczj.com/doc/5910166699.html,
Supervisor: Prof. He Ming
Prof. Jiang Shan China Institute of Atomic Energy
June 2010
摘要
硅（Si）是一种类金属元素，在地壳中的含量仅次于氧，广泛存在于各种岩石、砂砾、尘土之中，是构成地壳的基础元素之一。自然界中的32Si是通过初级或次级宇宙射线与空气中的Ar通过散裂反应以很小的反应截面产生，是硅的23种同位素中唯一的长寿命放射性同位素。32Si的半衰期约为140a，介于44Ti(49a)和14C(5730a)之间，在100~1000a尺度的测年和硅的生物地球化学循环研究中具有极其重要的应用价值。利用32Si可以开展地下水年龄的测量、冰川的年龄和流动速度的测量、地下水混合与流动过程及海水混合作用的研究、大气环流及海洋中Si的生物化学循环以及海洋硅质沉积层的年龄测量、测定年轻沉积物的沉积速率、估算陨石在宇宙射线中的暴露时间等等多方面的工作。
但是32Si的大规模应用受到诸多条件的限制：1.由于32Si的天然产生率非常低，在自然界的同位素丰度比非常低（32Si/Si <10-14），因此大量的32Si样品难以获得；2.以前的32Si的测量多采用衰变计数法，该方法需要大量的样品，且测量灵敏度低，周期长，样品制备烦琐；3.目前32Si的半衰期值尚无公认的精确值，目前公布的32Si的半衰期存在较大偏差，这在很大程度上阻碍了32Si的应用。
加速器质谱分析技术（AMS: Accelerator Mass Spectrometry）具有样品用量少、测量时间快、测量灵敏度高等优点。利用AMS技术测量32Si可克服以上提到的应用限制因素：1.AMS测量灵敏度高，需要的样品量少，仅需SiO2样品1mg 即可完成32Si的测量,可直接对自然样品进行测量；2样品制备简便，测量时间短(1小时)；3.AMS高灵敏测量32Si的方法可为32Si半衰期的精确测量提供可靠的技术支撑。因此AMS方法是测量32Si最具潜力的方法。国外目前已对AMS测量32Si的方法进行过一些研究，建立了多种测量方法。
中国原子能科学研究院拥有高能串列加速器，大型Q3D磁谱仪等诸多便利条件，非常有利于进行32Si的测量。为此本工作旨在建立基于中国原子能院AMS 系统的32Si测量方法，为其广泛应用研究奠定基础。
为了建立32Si的AMS测量研究，本工作主要开展了以下两方面的研究工作：
1.32Si实验室标准样品的研制：
要开展32Si的测量，首先需要制备32Si的实验室标准和适用于AMS测量的化学流程，为此开展了以下研究工作：
（1）32Si生成反应的计算设计：调研各种可能生成32Si的反应道，通过各种途径查找其反应截面数据，对各种反应道进行综合分析，结合国内的实验条件，最终确定了利用原子能院游泳池堆反应堆辐照31P(n,γ)32P(n,p)32Si生产32Si的方案；根据反应堆的中子通量及中子热快比计算了32Si的产额随照射时间的变化，确定了样品的照射时间和需要的冷却时间。
（2）32Si的生产：根据前面的计算设计，我们以Mg2P2O7为样品形式将31P 在游泳池堆照射了250小时，理论计算得到照射后样品中32Si与31P原子个数比可达1.3×10-12，
（3）32Si样品的制备：建立了从辐照样品中的分离32Si的化学流程，在样品经过冷却后，制备出32Si/Si在10-12的实验室标准样品。在此工作中通过对放化分离流程和稀释流程的改进，建立了自己的简便易操作的样品处理流程。
2. AMS测量32Si方法的建立：
32Si测量最主要的干扰是同量异位素32S的非常强烈的干扰，因此要建立高灵敏的32Si测量方法最主要的工作就是如何排除和鉴别32S，为此开展了以下工作：
（1）32Si引出形式的选择：通过系统实验研究，比较各种不同样品形式和不同引出形式下的束流情况，最终确定了测量32Si所需最佳的样品形式SiO2+Fe (1:5) 和离子引出形式Si-，提高了Si的引出效率，有利于提高灵敏度。
（2）32S排除方法建立：建立了独特且非常有效的排除同量异位素干扰的方法。针对Q3D磁谱仪高动量分辨的特点，选用厚度均匀性非常好的Si3N4膜，利用32Si和32S过膜后的剩余能量的不同，通过Q3D进行鉴别，最终建立了 E-Q3D排除32S干扰的方法，极大地压低了32S的干扰，对32S的压低因子达106。
（3）32Si测量与鉴别：通过利用自行设计建立的多阳极电离室成功实现了对32Si和32S的进一步鉴别，对32S的压底因子达到106。在此过程建立了精确寻找32Si焦面位置的方法，使得在没有高含量样品标定焦面位置的情况下可以准确地对低含量样品进行测量。实验成功地实现了32Si实验室标准样品的测定，对空
白样品的测量结果表明测量灵敏度(32Si/Si)好于1?10-14，达到了世界先进水平。该方法具有极强的排除32S的干扰的能力，其对32S的压低因子达到了世界最好水平。
本工作在以下方面有创新：
1.样品的化学处理流程方面，建立了新的辐照样品化学分离流程和高含量样品稀释流程，并加入去S步骤，适合于方便快速地制备AMS测量用32Si样品。
2.国际上首次利用Q3D大型磁谱仪配合多阳极电离室进行32Si和32S的排除与鉴别，成功建立了高灵敏的?E-Q3D方法。
总之，本论文在32Si的生产、32Si样品的制备、AMS测量32Si的方法方面建立了一整套的方法，并且在多方面有所创新，为32Si的应用研究提供了方法，为下一步的32Si半衰期的精确测定奠定了基础。
关键词：32Si AMS 磁谱仪同量异位素
Abstract
Silicon (Si) is a kind of metalloid elements, which is widely exists in all sorts of rock, gravel and dust, and also is one of the basic elements of the Earth crust which is just behind the oxygen in content. 32Si, generated in small amount through primary or secondary cosmic-ray spallation with Ar in the atmosphere, is the only long lived radio isotope in the 23 isotopes of silicon. The half-life of 32Si is about 140a, which is between the 44Ti (49a) and 14C (5730a). It has very important application value in geochronometry in the range of 100-1000 years and the research of global biogeochemical silica cycle.32Si can be used in many researches, such as mearsurement of the age of groundwater and glacier, research on the role of mixing and flow process of groundwater and seawater, research on the biochemical cycle of Si in the atmospheric circulation, mearsurement of the age of siliceous sediments in ocean, determination of the deposition rate of shallow sendments, estimate the cosmic rays exposure age of meteorite and so on.
But the large-scale application of 32Si is limited by many conditions: 1. Due to the low natural production rate of 32Si and the low natural isotope abundance ratio (32Si/Si (10-14), it is difficult to get plenty of 32Si samples. 2. The radiometry method which was mostly used to measure 32Si before needs a large mount of samples. Except that, it has a low sensitivity, a long measurement time and a complex sample preparation procedure. 3. There is still not an accurate half-life value of 32Si now. The values reported now vary in a large range. It’s a large hamper to the 32Si applications.
The accelerator mass spectrometry technology is characterized as a little sample usage, a short measurement time and high sensitivity. Using the AMS technology to measure 32Si can overcome the limiting factors mentioned above: 1.AMS has high sensitivity and needs as less as 1mg sample. Thus it can measure the natural samples directly. 2. It has a simple sample preparation procedure and a short measurement time(1h). 3. The ultra-sensitive measurement method of 32Si by AMS can provide reliable technical support for the precise measuring of 32Si’s half-life. So AMS method is the most promising method in the measurement of 32Si. Up to now, foreign countries have done some researches on measuring 32Si by AMS and established many methods.
There are many advantages for making research on the measurement of 32Si in China Institute of Atomic Energy, such as the high-energy tandem accelerator and the large Q3D magnetic mass spectrometry. So this work is to establish the method of measuring 32Si based on the AMS system of Chinese institute Atomic Energy and to lay the foundation for the large-scale application of 32Si.
In order to establish the method for the measurement of 32Si by AMS, this work includes two main aspects:
The produce of 32Si lab-standard sample:
In order to measure 32Si, it’s the first step to produce our lab-standard sample and to establish suitable chemical procedures for AMS sample preparation. We have done the followwing works for this goal:
(1) The calculation and design of the reactions for 32Si production: We made researches on all nuclear reaction channels which can produce32Si, searched the cross-section data in all ways, analyzed all the nuclear reaction channels, combined with the experiment conditions in our country and finally decided to make use of the swimming pool reactor to radiate 31P(n,γ)32P(n,p)32Si to produce 32Si; We calculated the relationship between 32Si atomic number and irradiation time according to the neutron flux and the ratio of thermal and fast neutron fluxes, and than fixed the need irradiation time and cooling time.
(2) The 32Si production: According with the calculation results and design before, we irradiated 31P in the form of Mg2P2O7 for 250 hours in the swimming pool reactor. The atomic number ratio between 32Si and 31P can reach 1.3×10-12 in theory.
(3) The preparation of 32Si sample: We established the chemical procedure for the separating 32Si from the irradiated sample, When the sample was cooled over, we produced our lab-standard sample of 32Si/Si ~ 10-12. Through the improvement of the separation procedure and dilution procedure, we established simple and easy-to-do procedures of sample chemical treatment.
2. The interference in 32Si measurement mainly comes from the strong interference of 32S. It’s the most important work to suppress and distinguish 32S in the establishment of ultra-sensitive measurement for 32Si by AMS. We have done the following works to reach this aim:
(1) The choosen of negative ion form: We made sure that the best form of sample was SiO2+Fe (1:5) and ion form was Si- needed in measuring 32Si, after compared beam currents among many kinds of samples and different ion forms
through systemic ion source experiments.
(2) The establishment of suppression method for 32S: We established a unique method to suppress the interference of isobaric. Because of the high momentum resolution of Q3D, we distinguished 32Si and 32S though Q3D by making use of the different residual energies between them after passing though a Si3N4 foil which has a good uniformity. Finally we established the method of suppressing 32S interference by ?E-Q3D, which can greatly supress the interference of 32S. The suppression factor can reach 106.
(3) The measurememt and distinguishment of 32Si: A multi-anode gas-filled ionization chamber which was signed and produced by ourselves was used to get a further identification on 32Si and 32S。The suppression factor can reach 106. During the process, we established a method for searching the focal plane position of 32Si accurately, with which we can also accurately measure low abundance samples without calibration of focal plane position of 32Si by high abundance samples.We successfully determinationed the lab-standard samples. The sensitivity(32Si/Si) according to a blank sample measurement is better than 1?10-14, which get into advanced leval in the world. This method has a strong ability to suppress 32S. The suppression factor get the level of the world’s best.
This work has the following innovations:
1. In the chemical procedures of samples parparation, we established new separation procedure of irradiation samples and diluted procedure of high content samples, and added the step of excluding S. These produces are very suitable for preparing 32Si samples for AMS measurement.
2. It is the first time to use the large Q3D magnetic spectrometry combined with multi-anode gas-filled ionization chamber to separate and distinguish 32Si and 32S in the world. The ultra-sensitive ?E-Q3D method for measuring 32Si by AMS was successfully established.
All in all, we have established a set of methods in the production of 32Si, the sample preparation of 32Si, and the method for the measurement of 32Si by AMS, and made innovations in many parts. This work supplies a good method for the research on 32Si and lays good foundation for the determination of the half-life of 32Si next step.
Key words: 32Si AMS magnetic spectrometry isobaric
目录
摘要..................................................................................................... I Abstract ................................................................................................... IV 第一章引言 .. (1)
§1.1 长寿命宇生放射性核素32Si (1)
1.1.1 自然界中的硅 (1)
1.1.2 32Si的产生及分布 (3)
§1.2 32Si的应用 (5)
1.2.1 应用领域 (5)
1.2.2 大规模应用的限制 (9)
§1.3 国内外研究现状 (12)
1.3.1 32Si的衰变计数法 (12)
1.3.2 AMS概述 (13)
1.3.3 AMS测量32Si的方法 (18)
1.3.4 中国的32Si研究现状 (26)
§1.4 课题的提出及意义 (26)
第二章32Si的生产、样品制备 (29)
§2.1 32Si的生产 (29)
2.1.1 反应道及辐照设施的选择 (29)
2.1.2 辐照条件及预期产额 (30)
2.1.3 样品的冷却 (31)
§2.2 32Si实验室标准样品的制备 (32)
2.2.1 辐照样品的放化分离流程的建立 (33)
2.2.2 高含量32Si样品的稀释流程的建立 (36)
第三章32Si 的AMS测量方法的建立 (40)
§3.1 CIAE-AMS系统 (40)
3.1.1 组成及原理 (40)
3.1.2 离子源 (42)
3.1.3 注入系统 (42)
3.1.4 加速器 (44)
3.1.5 高能分析系统 (46)
3.1.6 探测器 (47)
§3.2 北京Q3D磁谱仪 (48)
§3.3 ΔE-Q3D方法基本原理 (50)
§3.4 ΔE-Q3D方法实验研究 (51)
3.4.1 离子源实验 (51)
3.4.2 加速器参数设置 (52)
3.4.3 Q3D剥离膜的选择及剥离电荷态的选择 (54)
3.4.4 电离室的制作、调试及工作条件的选择 (57)
第四章样品的测量 (61)
§4.1 液闪预测量 (61)
§4.2 AMS测量过程 (63)
§4.3 传输效率的确定 (66)
§4.4 粒子的鉴别 (66)
§4.5 数据分析及讨论 (68)
第五章总结、结论与展望 (71)
致谢 (74)
附录：硕士期间发表的论文 (76)
参考文献 (79)
第一章引言
§1.1 长寿命宇生放射性核素32Si
1.1.1 自然界中的硅
硅（Si），旧称矽，由化学家Berzelius于1824年首次作为一种元素被发现[1]。硅原子序数14，相对原子质量28.09。硅原子位于元素周期表第IV A族类金属元素，核外电子排布为2、8、4（图1.1）。此结构决定了硅有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质（除氟化氢和碱液以外）发生反应；硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。
图1.1 硅的原子结构
硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，然而硅容易与氧反应，因此在自然界中没有单质状态存在，而是以复杂的硅酸盐或的形式，广泛存在于岩石、砂砾、
尘土之中。自然界中二氧化硅的存在形式不下两百种，统称硅石；硅酸盐有一千多种，可用通式aM x O y?SiO2?cH2O表示[2]。地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石是由硅石和各种硅酸盐组成。长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类，地壳的95％都是由硅酸盐矿组成的；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。硅构成地壳总质量的25.7%，仅次于第一位的氧（49.4%）。如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置。但硅在宇宙中的储量排在第八位，它的宇宙丰度只有0.05％[3]。
已发现的硅的同位素共有23种（表1.1），包括22Si至44Si，但其中只有28Si，29Si，30Si是稳定的，天然丰度分别为92.23％，4.67％和3.10％。半衰期长于一分钟的硅的同位素只有32Si(约140a)和31Si(157.3min)。硅有很强的核稳定性，天然硅平均热中子吸收截面只有0.16b。
表1.1 Si的所有同位素列表
23Si14923.0255242.3(4) ms3/2+#
24Si141024.011546140(8) ms0+
25Si141125.004106220(3) ms5/2+
26Si141225.992330 2.234(13) s0+
27Si141326.98670491 4.16(2) s5/2+
28Si141427.9769265325STABLE0+0.92205-0.92241 29Si141528.976494700STABLE1/2+0.04678-0.04692 30Si141629.97377017STABLE0+0.03082-0.03102 31Si141730.97536323157.3(3) min3/2+
32Si141831.97414808170 y0+
33Si141932.978000 6.18(18) s(3/2+)
34Si142033.978576 2.77(20) s0+
35Si142134.98458780(120) ms7/2-#
36Si142235.986600.45(6) s0+
37Si142336.9929490(60) ms(7/2-)#
38Si142437.9956390 ms [>1 μs]0+
39Si142539.0020747.5(20) ms7/2-#
40Si142640.0058733.0(10) ms0+
41Si142741.0145620.0(25) ms7/2-#
42Si142842.0197913(4) ms0+
43Si142943.0286615 ms [>260 ns]3/2-#
44Si143044.0352610 ms0+
1.1.2 32Si的产生及分布
自然界中的32Si是通过初级或次级宇宙射线与空气中的Ar通过散裂反应产生，反应式为40Ar(n,4p5n)32Si，40Ar(p,2αp)32Si。1954年由Turkeyich和Samuels 首先发现[4]。由于其截面非常小，而且空气中的Ar含量只有1‰，所以自然界的32Si的产生率非常低。Lal曾根据1966年-1970年印度六个取样点的雨水中的32Si 含量两次测算过全球32Si产率[5][6]，分别为 2.0310-4atom/(cm22s)和 5.0310-4 atom/(cm22s)。Craig在2000年综合GEOSECS的数据并考虑不同纬度地区的差异，给出32Si的产率为0.72310-4 atom/（cm22s）[7]。表1.2将32Si与14C的产率进行比较，由此我们可以看到32Si的含量之少！
表1.2 32Si和14C产率对照表
14C 2.6 9.8Kg 80t 1.2310-10 14C/32Si 3.63104 3.6310443104>1.23104
32Si产生于上层大气圈，约2/3产生于平流层，1/3产生于对流层，然后很快通过雨雪或干散落物的形式降落到地球的硅储存库中。表1.3给出了32Si的相对分布：
表1.3 32Si在地球各储存库中的相对含量（％）
图1.2 各种天然样品中的32Si丰度(衰变计数法推测)[8]图1.2列出了各种环境样品中32Si的含量，从图中可以看到多数自然样品的32Si 的同位素丰度(32Si/Si)都小于10-14,这一方面由于32Si产率小，另一方面由于岩石圈和水圈中稳定的Si非常丰富。雨水的32Si/Si可达1.3310-14~6.2310-16，地下水的32Si/Si仅为6.9310-17~9.8310-18[9]。
宇生放射性核素的分布通常有一些共同的特征：随季节和纬度不同而不同，与太阳活动呈负相关，会受到核爆影响以及在极地含量出现最高峰等现象。
目前共有五家实验室进行过雨水中的32Si含量测量[28][10][11][12][13][14]，四家实验室测量了不同地区的雪样[8][10][15][16][17]。结果表明每年5－9月降水中具有高的32Si浓度，9月到次年春季出现低值。这就是所谓的春季效应。1962年核试验之后的1963-1964年在各地的样品中都测到了较高的32Si浓度，大概是普通值的2-3倍。这是核爆效应所导致。德国的1972-1979年的雨水样品中，1977年的样品具有较高的32Si含量。1976年为太阳黑子活动低潮期。经过一年的延迟，32Si浓度在1977年呈现较高含量，这是宇生核素与太阳活动呈负相关特性的表现。另外从目前有限的资料中还看不出32Si分布明显的纬度效应，但是其它一些宇生放射性核素如3H、14C、36Cl等都有明显的纬度效应，即高纬度地区的生成率比较高[18]。
Somayajulu等曾推测，由于中纬度地区春季注入的大气散落物量增大，其32Si分布也应较多[5]。
§1.2 32Si的应用
1.2.1 应用领域
32Si是Si唯一的长寿命放射性核素，其半衰期大约为140a，介于44Ti(49a)和14C(5730a)之间，在100~1000a尺度的测年和硅的生物地球化学循环研究中具有极其重要的应用价值。利用32Si可以开展以下工作：浅层地下水年龄的测量；地下水混合与流动过程及海水混合作用的研究；冰川的年龄和流动速度的测量；大气环流及海洋中Si的生物化学循环以及海洋硅质沉积层的年龄测量；确定年轻沉积物的沉积速率；确定极地冰盖堆积速率以及高山冰川的流速；估算陨石在宇宙射线中的暴露时间[19]等。它们的埋藏年龄或活动周期在100~1000a范围内，在这一时间领域32Si是最合适的示踪剂。
1.2.1.1 地质测年
32Si在大气中产生后便开始按照其半衰期衰变。进入地球的硅储存库之后与大气、地表水等隔绝的32Si（如地下水，冰心，湖底沉积物等）得不到补充而不断减少。通过测量这些样品中的32Si含量并与补给区的32Si含量比较便可以知道样品的年龄。图1.3比较了几种常用测年核素的测年范围
图1.3各种测年核素的测年范围
目前测量地下水年龄主要用3H及14C。3H半衰期为12.43a，适合于50a以下的时间测量，14C半衰期5730a，适合于千年以上时间测量。这两种方法测量100－1000a范围的时间都有较大的误差。Nijampurkar等人于1966年就提出利用32Si 测量年轻(小于1000－1500a)地下水的年龄比用3H及14C方法要好[20]。他们在印度取得大量的雨水、河水、湖水和地下水样品,测得其32Si浓度，计算了地下水的相对年龄并由此推断地下水的运动方向。结果与水文地质条件分析一致。其测量数据列于表1.4中：
表1.4 大气降水，河水及地下水中的SiO2浓度[20]
印度帕坦哥德(32°N) 1963.6.29～9.28 1.5 0.70±0.10
印度帕坦哥德(32°N) 1961.8.26～1962.3.5 1.5 0.27±0.07
印度瓜廖尔(26°N) 1963.7.7～10.68.7 0.29±0.02
印度孟买(19°N) 1963.6.17～7.6 2.9 0.34±0.03
印度孟买(19°N) 1963.7.12～8.6 2.8 0.94±0.05
印度孟买(19°N) 1963.8.9～8.20 1.5 0.17±0.03
印度孟买(19°N) 1964.6～7 2.1 0.85±0.08
印度肯代拉(18°N) 1963.5.21～7.12 4.2 1.15±0.06
印度肯代拉(18°N) 1963.7.17～8.7 2.0 0.48±0.04
印度肯代拉(18°N) 1963.8.11～18 4.5 0.70±0.04
印度肯代拉(18°N) 1963.8.19～9.10 4.2 0.60±0.03
印度肯代拉(18°N) 1961.9.25～12.12 5.5 0.10±0.02
印度哥代加纳尔(10°N) 1963.6.25～11.1 3.7 0.28±0.02
印度哥代加纳尔(10°N) 1961.1.14～12.31 1.0 0.20±0.06
丹麦(56°N) 1964.9～110.85
丹麦(56°N) 1964.11～120.63
丹麦(56°N) 1964.12～1965.10.64
丹麦(56°N) 1965.3～50.69
丹麦(56°N) 1965.5～6 2.7
丹麦(56°N) 1965.7～9 1.1
印度赫尔德瓦尔，恒河
1964.3.1 8.3 0.14±0.01上游(30°N)
印度安拉阿巴德，恒河
1964.3.12 6.5 0.08±0.01中游(25.5°N)
印度纳希克，戈达瓦里
1964.5.26 7.8 0.11±0.01河(20°N)
印度拉贾蒙德里，戈达
1964.1.20 8.2 0.08±0.01瓦里河(17°N)
印度孟买，坦萨湖
1963.5.31 4.8 0.21±0.02 (19°N)
孟买自来水(源自坦萨
1963.4.5 2.5 0.20±0.05湖) (19.6°N)
孟买自来水(源自坦萨
1963.6.14 8.0 0.20±0.02湖) (19.6°N)
印度拉兹井水,190米
1964.11.14 4.3 0.03±0.01深,(21.7°N)
印度德巴拉井水,220米
1964.11.11 4.6 0.03±0.01深,(25.7°N)
印度比贾布尔井水,40
1963.12.2 4.7 0.04±0.01米深,(23.6°N)
印度古杰拉特井水,140
1963.12.6 4.4 0.017±0.008米深,(23.5°N)
印度瓦拉纳西井水,100
1964.10.21 2.8 0.015±0.015米深,(23.6°N)
印度孟买开口井(19°N) 1963.11.21 7.8 0.04±0.015
目前对过去气候的知识都是基于保存在沉积物或冰心的记录。精确测定冰心的年龄是获取这些信息的关键。随着AMS技术的发展，利用32Si测量冰心的年
龄已得到应用。32Si 曾多次用于测量阿尔卑斯山冰川流速。Bhandari 、Nijampurkar 等曾测量了喜马拉雅山冰川流速[15][21]。其方法是沿冰川从源头到终端在不同地点取冰雪样，溶化后测量32Si浓度。这里取32Si半衰期145年。得到的结果是：Nehnar 冰川的冰川鼻年龄约500a，其平衡线附近的表层冰流动速度相对较快约为6m/a; Chhota Shigri冰川的冰川鼻的32Si 年龄约为250a，在过去几个世纪其表层冰平均流速约28 m/a。Chhota Shigri冰川内部有融化的冰雪，对其进行32Si测定后发现融雪中至少含有55%的新雪。丹麦学者Clausen等曾测得阿尔卑斯山Hintereisferner 冰川底部32Si 平均浓度为0.14dpm/103l.按500a半衰期算的冰川流速为6.6m/a，冰川年龄1200±300a；按108a半衰期算得冰川流速30m/a，冰川年龄800a[16]。Uwe Morgenstern于1996年在Glacier 山顶和底部分别采集雪样，比较其32Si年龄后得出Fox Glacier的冰川从山顶移动到山底需要800a时间[8][22]。
1.2.1.2硅的生物地球化学循环
在生物地球化学中Si和C、N、P是海洋营养元素，海洋学研究中人们利用天然存在或人工加入14C、15N和32P、33P示踪剂的方法研究海洋浮游生物对C、N、P的吸收过程与通量，并已得到广泛应用。所以人们迫切需要一种能示踪Si的生物地球化学过程的示踪剂。32Si作为Si唯一的长生命放射性核素，是Si的生物地球化学过程的示踪剂的唯一选择。
自六十年代以来，人们在利用32Si解释SiO2的海洋地球化学、研究海洋水体循环以及测定海底沉积层年龄等方面均作了尝试。70年代进行的《国际海洋考察十年》项目研究中的子项目地球化学海洋剖面研究（GEOSECS）大规模地测量了海洋中的32Si同位素分布。该项目由八个国家的地球化学专家共同参与7。对三大洋作了17个32Si垂直剖面测量。其中九个剖面位于太平洋的40°N ~58°S，三个剖面位于印度洋的0°~38°S，五个剖面位于大西洋的20°N ~60°S，从海洋表面到5000m深分成6~7个不同深度提取海水样，测量了SiO2浓度、32Si浓度、32Si/ SiO2比值及垂直剖面上32Si储存量。取得了大量海洋32Si分布的实际数据。实验测得的印度洋、大西洋和太平洋的32Si总储量分别为16.3、23.5和51.9（1015dpm），这与Stuvier等在1983年根据14C算得的三大洋深水交换一次的时间为250a，275a 和510a是能相互对应的。此外他们还根据南极附近大西洋到太平洋中心海水的水柱平均32Si/ SiO2减小情况推断了南极附近洋流速度大约为55km/a。
Lal等曾在1975年从近海区域收集大量硅质海绵样品。样品从太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南冰洋和地中海的0-470米的不同深度采集。通过测量其中的32Si 含量并与海水中的32Si含量对比来研究海水的混合作用。硅质海绵的32Si 含量应与其生活环境相当。在近海区会出现低32Si含量的陆地淡水、高含量水和深层海水的混合的现象，这种混合过程都被硅质海绵在其生存时间内记录下来[23]。
Lal还于2001年在研究土壤动力学时提到32Si也很适合于研究土壤的富集及侵蚀速率。但是目前缺乏土壤剖面中的32Si含量的数据（在此之前只有Frohlich 在1987年做过一次测量）[24]。
另外Nijampurkar等曾经利用32Si作为示踪剂对湖水中的Si行为进行过研究[25]。Brzezinski 于1997年首次用32Si作为示踪剂研究了海水中的Si产生率[26]。1998年Popplewell 等利用32Si作示踪剂研究了人体的Si循环[27]。可以说，32Si 在全球的生物地球化学循环研究中已经得到许多应用。
1.2.2 大规模应用的限制
a. 32Si样品量限制。
由于自然界的32Si含量极少，要获得足够的32Si，需要采集大量的自然样品处理，经过繁琐的化学流程才能得到，工作量极大。例如典型的放射性测量需要大约200mg的Si，这需要大约（3-10）×103 m3水样，处理样品过程费时费力不好操作。有些样品，例如冰芯样品，也没有那么多的样品量。而如果想利用32Si作Si的示踪剂则需要更多的高含量的32Si样品。这种情况往往采用人工核反应获得32Si，人工核反应合成32Si则需要较高的条件（见2.1节），这在第三章将作详细介绍，这就限制了32Si的大规模应用。
b. 测量方法的限制。
在以前的研究中，不管是在地质测年方面还是在生物地球化学循环研究中，32Si的测量很多都采用衰变计数法。该方法需要的样品量比较大，而且需要将样品经繁琐的流程制成需要的样品形式（见1.3节）。
c. 半衰期尚无公认的精确值。
自1954年32Si被发现以后，人们利用多种方法对其半衰期进行了测量。但
2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C 1.如图所示为回旋加速器的工作原理示意图,D形金属盒置于真空中,半径为R,两金属盒间的狭缝很小,磁感应强度大小为B的勻强磁场与金属盒盒面垂直,高频交流电的频率为f,加速电压为U,若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m,电荷量为+e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应,则下列说法正确的是( ) A.加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大 B.不改变磁感应强度B和交流电的频率f,该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子 C.质子被加速后的最大速度不能超过2πRf D.质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2:1 2.回旋加速器是加速带电粒子的装置.其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是( )
A.减小磁场的磁感应强度 B.增大匀强电场间的加速电压 C.增大D形金属盒的半径 D.减小狭缝间的距离 3.质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。其工作原理如图所示。虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( ) A.此粒子带负电 B.下极板S2比上极板S1电势高 C.若只减小加速电压U,则半径r变大 D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小 4.1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( ) A.离子从电场中获得能量 B.离子由加速器的边缘进入加速器 C.加速电场的周期随粒子速度增大而增大 D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关
Capillary 毛细管电压 Fragmentor 碎裂电压（F） collision Energy 碰撞能量（CE） RF Lens RF透镜电压 Source Temp 源温 Gas Temp 雾化气温度 gas flow 雾化气气流 EMV 电子倍增器电压值 Unit， wide，widest三种分辨力模式，Unit最高，但得到的响应最低 参数优化注意事项： 1 用10～1ppm对照品溶液，设EMV为50～200，先进行MS Scan 确定母离子的m/z,这时fragmentor一般为100多，分辨力模式为Unit。 2 用连续注射样品溶液，优化质谱参数： 在SIM的模式下，输入母离子m/z，优化fragmentor，保证母离子的最大传输效率，即尽可能多到达碰撞池； 在子离子扫描（product ion）模式下，输入母离子m/z，最优fragmentor值，考察其碎裂后的子离子，此时可以用多个扫描段、每个扫描段设定不同的 collision energy，获得不同碎裂能量下的子离子，确定最丰富、最稳定的子离子 在MRM（多离子检测）模式下，输入母离子、子离子的m/z，F，考察不同CE值下的响应，找到最大响应时的CE值 3 优化好质谱条件后，可以先优化色谱条件，在确定的色谱条件下优化源温、脱溶剂气等参数。 如果待检测样品中待测物浓度非常低，如pg级，最好在用1ppm优化好F、CE值后再用低浓度如0.1ppm等细调一下这两个参数（具体浓度视待测物的响应确定） 如果在最优的参数下，仪器的灵敏度仍不够，那就增大到EMV值到获得合适的响应。 锥孔电压页面的参数调节一般只调锥孔电压和碰撞电压,源温110,去溶剂气温度350,去溶剂气流量400L/h 仪器型号：Varian 300
第33卷第2期原子能科学技术V o l.33,N o.2 1999年3月A tom ic Energy Science and T echno logy M ar.1999重核离子束成分的加速器质谱分析3 何 明 姜 山 蒋崧生 武绍勇 (中国原子能科学研究院核物理研究所,北京,102413) 为拓展加速器质谱技术(AM S)测量范围及测量放射性核束成分,建立了利用入射离子发射特征X射线鉴别同量异位素的方法,开展了利用AM S测量重核离子束成分的工作。用此方法可将测 量79Se时的同量异位素干扰79B r压低2个数量级。对将用于64Cu放射性束实验的铜靶离子束成分 进行了分析。 关键词 离子束分析 入射离子X射线 加速器质谱 中图法分类号 TL52 TH84 加速器质谱技术(AM S)由于其高灵敏度而广泛应用于各个学科。AM S在测量重核,如79Se、126Sn等会遇到同量异位素的严重干扰。为拓展AM S测量范围,需建立重核的AM S分析新方法。另外,放射性核束物理实验的束流是混合束(受到一些稳定核素的干扰),需要对其成分进行鉴别而对离子束成分分析提出了要求。当离子经过加速器加速再经过分析磁铁选定所测核素后,离子束中一般只有所测核素的同位素和同量异位素。因此,离子束成分分析主要是分析离子束中的同位素和同量异位素含量。 1 同位素的分析方法 111 电刚度分析法 待分析样品在离子源被电离、经加速器加速后由分析磁铁选择出某一核素,只有相同磁刚度2〔(E q)?(m q)〕1 2的离子才能通过分析磁铁(E、m、q分别为离子能量、质量和电荷态)。离子在加速过程中由于电荷交换等原因使一些同位素的磁刚度满足选定的磁刚度而通过分析磁铁,因这些同位素离子质量不同,能量比选择的离子能量要高或低。静电分析器是能量分析器,即只有电刚度(E q)相同的离子才会通过静电分析器,因此可对离子的同位素进行分析。中国原子能科学研究院的高灵敏静电分析器[1]可对离子束中的同位素进行分析:通过改变静电分析器的电压让能量不同的离子(相应于质量不同的离子)通过静电分析器,对通过的离子进行测量来对离子束中的同位素进行鉴别。静电分析器在分析模拟传输64Cu时离子束中同位 3国家自然科学基金和核工业基金资助项目 何 明:男,29岁,加速器质谱学专业,助理研究员 收稿日期:1998205218 收到修改稿日期:1998208202
1.1 磁场对通电导线的作用力 【学习目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 【学习难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习过程】 一、自主预习 （一）、质谱仪 1．质谱仪的结构原理 （1）.质谱仪的组成 由粒子源容器、电场、磁场和底片组成。 （2）.质谱仪的用途 质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了的存在。质谱仪是测量带电粒子的和分析的重要工具。 （二）、回旋加速器 1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点? 2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。 自我检测 1.正误判断。 (1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。() (2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。() 2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是() A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电 C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大 D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小 3.关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述,正确的是() A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用 B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的 C.只有电场对带电粒子起偏转作用 D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动 二、探究学习 问题情境一 如图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大? 知识归纳 1.带电粒子运动分析 2.质谱仪区分同位素 实例引导 例1如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A 下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是() A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚 B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕 C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚 D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕 变式训练1 (多选)如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910180677.0 (22)申请日 2019.03.11 (66)本国优先权数据 201810201635.6 2018.03.12 CN (71)申请人 姜山 地址 100036 北京市海淀区万寿路12号院1 号楼1单元601室 (72)发明人 姜山 (51)Int.Cl. H01J 49/00(2006.01) H01J 49/10(2006.01) G01N 27/64(2006.01) (54)发明名称 一种加速器质谱测量方法和系统 (57)摘要 本申请实施例提供了一种加速器质谱测量 系统，涉及AMS技术领域。该加速器质谱测量系统 包括：ECR强流正离子源子系统， 注入器子系统，强流加速器子系统，高能分析子系统和高分辨探 测器子系统；所述ECR强流正离子源子系统，注入 器子系统，强流加速器子系统，高能分析子系统 和高分辨探测器子系统按序连接；所述ECR强流 正离子源子系统用于产生多电荷态的强流正离 子；所述强流加速器子系统用于直接对强流正离 子进行加速。本申请实施例具有束流强、总效率 高和压低本底能力强等优点，能够大幅度提高测 量的丰度灵敏度。权利要求书1页 说明书8页 附图2页CN 109830423 A 2019.05.31 C N 109830423 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109830423 A 1.一种加速器质谱测量系统，其特征在于，包括： ECR强流正离子源子系统，注入器子系统，强流加速器子系统，高能分析子系统和高分辨探测器子系统； 所述ECR强流正离子源子系统，注入器子系统，强流加速器子系统，高能分析子系统和高分辨探测器子系统按序连接； 所述ECR强流正离子源子系统用于产生多电荷态的强流正离子；所述强流加速器子系统用于直接对强流正离子进行加速。 2.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，所述强流加速器子系统为 强流单级静电加速器，所述强流单级静电加速器由多个加速管单元组成；所述强流加速器Array 子系统加速的束流强度的范围为。 3.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，所述ECR强流正离子源子系统处理的元素包括从H到Pu、锕系、超锕系的元素其中至少一种。 4.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，所述高能分析子系统包括：第一磁分析器，第一吸收膜，静电分析器和第二磁分析器；所述第一磁分析器，第一吸收膜，静电分析器和第二磁分析器按序连接；所述第一吸收膜在所述高能分析子系统启动后处于静止状态或处于转动状态。 5.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，所述高分辨探测器子系统包括第二吸收膜和高分辨探测器；所述第二吸收膜和高分辨探测器按序连接；所述第二吸 收膜在所述高探测器子系统启动后处于静止状态或处于转动状态。 6.根据权利要求5所述的加速器质谱测量系统，其特征在于， 所述高分辨探测器为Array气体探测器。 7.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，所述注入器子系统包括:前加速段和低能端磁分析器;所述前加速段与所述低能端磁分析器按序连接；所述低能端磁分析器用于选择所要加速离子的质荷比。 8.根据权利要求1所述的加速器质谱测量系统，其特征在于，还包括：控制子系统；所述控制子系统分别与ECR强流正离子源子系统，注入器子系统，强流加速器子系统，高能分析子系统和高分辨探测器子系统连接，控制各子系统的运行。 9.一种加速器质谱测量方法，其特征在于，包括： 采用ECR强流正离子源子系统生成多电荷态的强流正离子； 通过注入器子系统将所述强流正离子注入到强流加速器子系统； 由所述强流加速器子系统采用待测的强流正离子对应的加速电压进行加速； 由高能分析子系统对所述强流加速器子系统输出的离子束流进行高能分析； 由高分辨探测器子系统对高能分析后的正离子进行探测。 2
分类号密级 UDC 学位论文 加速器质谱测量32Si的方法研究 龚杰 指导教师姓名：何明（研究员、博士、中国原子能科学研究院） 姜山（副所长、研究员、硕士、中国原子能科学研究院）申请学位级别硕士专业名称粒子与原子核物理 论文提交日期2010年月日论文答辩日期2010年月日 学位授予单位和日期中国原子能科学研究院2010年7月 答辩委员会主席 评阅人 二○一○年六月
中国原子能科学研究院硕士研究生 学位论文 加速器质谱测量32Si的方法研究 龚杰 指导老师：何明研究员 姜山研究员 专业：粒子与原子核物理 研究方向：加速器质谱学 学位级别：硕士 二○一○年六月
Study on the Measurement of Silicon-32 with Accelerator Mass Spectrometry By Gong Jie P.O.Box:275(50) Beijing 102413 Email: gongjie001@https://www.doczj.com/doc/5910166699.html, Supervisor: Prof. He Ming Prof. Jiang Shan China Institute of Atomic Energy June 2010
摘要 硅（Si）是一种类金属元素，在地壳中的含量仅次于氧，广泛存在于各种岩石、砂砾、尘土之中，是构成地壳的基础元素之一。自然界中的32Si是通过初级或次级宇宙射线与空气中的Ar通过散裂反应以很小的反应截面产生，是硅的23种同位素中唯一的长寿命放射性同位素。32Si的半衰期约为140a，介于44Ti(49a)和14C(5730a)之间，在100~1000a尺度的测年和硅的生物地球化学循环研究中具有极其重要的应用价值。利用32Si可以开展地下水年龄的测量、冰川的年龄和流动速度的测量、地下水混合与流动过程及海水混合作用的研究、大气环流及海洋中Si的生物化学循环以及海洋硅质沉积层的年龄测量、测定年轻沉积物的沉积速率、估算陨石在宇宙射线中的暴露时间等等多方面的工作。 但是32Si的大规模应用受到诸多条件的限制：1.由于32Si的天然产生率非常低，在自然界的同位素丰度比非常低（32Si/Si <10-14），因此大量的32Si样品难以获得；2.以前的32Si的测量多采用衰变计数法，该方法需要大量的样品，且测量灵敏度低，周期长，样品制备烦琐；3.目前32Si的半衰期值尚无公认的精确值，目前公布的32Si的半衰期存在较大偏差，这在很大程度上阻碍了32Si的应用。 加速器质谱分析技术（AMS: Accelerator Mass Spectrometry）具有样品用量少、测量时间快、测量灵敏度高等优点。利用AMS技术测量32Si可克服以上提到的应用限制因素：1.AMS测量灵敏度高，需要的样品量少，仅需SiO2样品1mg 即可完成32Si的测量,可直接对自然样品进行测量；2样品制备简便，测量时间短(1小时)；3.AMS高灵敏测量32Si的方法可为32Si半衰期的精确测量提供可靠的技术支撑。因此AMS方法是测量32Si最具潜力的方法。国外目前已对AMS测量32Si的方法进行过一些研究，建立了多种测量方法。 中国原子能科学研究院拥有高能串列加速器，大型Q3D磁谱仪等诸多便利条件，非常有利于进行32Si的测量。为此本工作旨在建立基于中国原子能院AMS 系统的32Si测量方法，为其广泛应用研究奠定基础。 为了建立32Si的AMS测量研究，本工作主要开展了以下两方面的研究工作：
加速器质谱中心简介 利用超高灵敏度加速器质谱技术，进行高精度年代学研究，宇宙事件探测，宇宙成因核素的环境过程示踪，行星地质学的比较研究，加强碳、氮、氧、氢的生物地球化学循环与示踪过程研究，获取高分辨率的环境变化信息，为地球环境研究提供技术支撑平台。 发展定位 实验室定位于加速器质谱新技术、同位素示踪新方法及其在地球环境科学、考古学和生物环境等领域的应用研究。面向基础科学研究前沿和国家重大需求，将加速器质谱新技术与放射性核素、稳定同位素示踪新方法相结合，为我国尤其是我省在地球环境科学等领域的原创及应用研究提供科技支撑。通过发挥加速器质谱技术优势，面向国内外开放，凝聚和培养从事加速器质谱技术及应用领域的高水平科技人才，逐步将实验室建设成为国际一流的加速器质谱应用研究中心、人才培训中心和权威分析测试中心，为我国及陕西省地方经济社会可持续发展提供科技服务。 研究方向： 研究方向1：加速器质谱功能开发和技术创新
加速器质谱仪(AMS)具有超高灵敏度和极少样品需求量的优势，成为进行地球科学中基础性、战略性和前瞻性研究的必要条件，已成为高精度年代学和地球环境精細过程示踪研究中不可缺少的前沿性工具。实验室将在充分发挥AMS已有测量技术优势的基础上，开展AMS功能开发和技术创新研究，通过仪器的功能升级和技术改造，发展超微量样品14C、129I 和B同位素测试新技术，开发Pu等新放射性核素测试功能，拓展加速器质谱应用研究领域。 研究方向2：地球环境过程的宇宙成因核素示踪研究 地球环境系统变化及行星和宇宙事件对地球环境影响的研究已成为本世纪地球科学前沿方向之一。我国拥有丰富多彩的自然地理格局及类型多样的地质记录，使得在地球环境变化研究领域具有得天独厚的区域优势，也为我国地球环境研究赶超世界先进水平提供了极大的发展空间。实验室将利用加速器质谱对各类长寿命放射性核素的测试优势，开展放射性核素在地球环境变化科学中的环境过程示踪和定年研究，获取自然环境变化的历史、规律，辩明人类活动的环境效应，探索东亚季风环境和内陆干旱环境的耦合演化特征及其机制，预测未来我国尤其是西部半干旱区气候变化趋势；开展宇宙成因核素（如 10Be）定量示踪第四纪以来黄土地磁场强度和降水变化的历史重建研究，为刻画地球磁场变化历史的细节以及中长时间尺度大陆水循环过程和变化规律提供新的环境示踪途径。 研究方向3：现代环境过程放射性核素示踪研究 国外通过环境样品中14C和129I的测试分析，评价放射性核素造成对环境的污染已取得长足的进展，并成为现代环境过程研究的一种有效工具。目前我国和周边国家和地区已建或在建大量核电站和其它核设施，这些核电厂和后处理厂的安全运
回旋加速器、质谱仪 1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( ) A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变 2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( ) A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大 B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短 C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子 D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( ) A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
质谱仪与回旋加速器 【教学目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 【教学难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学过程】 一、复习导入 1．实例： 如图所示为一具有圆形边界、半径为r 的匀强磁场，磁感应强度大小为B ，一个初速度大小为v 0的带电粒子（质量为m ，电荷量为q ）沿该磁场的直径方向从P 点射入，在洛伦兹力的作用下从Q 点离开磁场。 （1）可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过圆心。 （2）设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tan θ2＝r/R ＝qBr mv 0 可见，对于一定的带电粒子（m ，q 一定），可以通过调节B 和v 0的大小来控制粒子的偏转角度θ。 2．特点： 利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小。 二、新课教学 （一）质谱仪 1．质谱仪的结构原理
质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪。 （1）离子发生器：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计； （2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出； （3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出； （4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动； （5）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上。 2．问题讨论： 设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计）， 粒子经电场加速由动能定理有：qU=1 2 mv2①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有：L=2mv Bq ②； 联立①②解得：m=qB 2L2 8U ；q m =8U B2L2 。 另一种表达形式 同位素荷质比和质量的测定：粒子通过加速电场，通过速度选择器，根据匀速运动 的条件：v=E B0。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则L=2R=2mv Bq =2mE B0Bq ，所
第２３卷第１０期２０００年１０月 核技术 ＮＵＣＬＥＡＲＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＶｏＩ２３．Ｎ０１０ ｏｃｔｏｂ∞．２０００ 一台用于加速器质谱测量的充气飞行 时间探测器古 姜山何明蒋崧生武绍勇董悦安 （中国原子能科学研究院北京１０２４１３） 摘要研制了一种新型的气体探测器——充气飞行时问探测器。介绍了充气飞行时问谱仪的原 理、结构和初步的在线调试结果。 美键词加速器质谱，同量异位素．充气飞行时间探测器 中圉分类号Ｘ５９１ 在加速器质谱（ＡＭＳ）测量中，采用△Ｅ—Ｅ望远镜方法有效地实现了对…Ｂｅ、“Ｃ、２７Ａｌ、”ＣＩ和“Ｃａ等核索的高灵敏测量。△Ｅ—Ｅ望远镜方法对同量异位素的分辨本领取决于△Ｅ和Ｅ探测的能量分辨本领和离子所带能量的高低。一般情况下用较低能量的串列加速器（端电压＜５ＭｅＶ）只能有效地测量ｗＢｅ、１４Ｃ和∞Ａ１，对∞Ｃ１和“Ｃａ等中重核素的测量需采用高能加速器（端电压在６一１４ＭｅＶ），对于更重的核素如：”ｓｅ、”Ｔｃ、“ｏＳｎ以及锕系元素等就需更高的能量，但目前的串列加速器是难以达到的．从而使得△Ｅ—Ｅ望远镜方法受到了限制。为了提高ＡＭＳ测量中同量异位素的鉴别能力，我们首次提出充气飞行时间（ＧＦ—ＴＯＦ）这一新的探测器，本文着重介绍ＧＦ—ＴＯＦ探测器的原理、结构和初步的在线测试结果， １ＧＦ—ＴＯＦ的工作原理 图１为ＧＦ—ＴＯＦ谱仪的工作原理又为结构简图 △Ｅ ｛竺－ｊ由于两个具有相同能量的同量异位素在同一介质中的能量损失率不同，即它们的速度改变率不同：因此，它们穿过同等长度的同一介质所需要的时闻也就不同。测量这一时间的不同．就可以进行同量异位素的鉴别。与△Ｅ—Ｅ探测器相比较， △Ｅ—Ｅ探测器的同量异位素分辨取 图ｌＧＦ－ＴｏＦ工作原理与结构简圈决于探测器本身的能量分辨，而影Ｒｇ．１ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＧＦ—ＴＯＦｓｙＢｔｅｍ响能量分辨的因素主要是电离电子的统计涨落，离子在介质中的能量离散，电离室和前置放大器的噪声，放大器增益的涨落等。ＧＦ－ＴＯＦ对同量异位索的分辨取决于时间分辨本领，而时间分辨仅来源于定时探测器 ＋国家自然科学基金资助（１９６７５０７５） 收稿日期：１９９弘０１—１２，修回日期：１。９９—０４—２３ 万方数据
一 粒子速度选择器练习 如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 % 若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关 若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 速度选择器的特点是:(1)只选速度,不选电性.即不管是带正电还是带负电,只要初速度满足一定的关系,粒子均能直线飞出. (2)单向性:粒子只能从一个方向打入,另外一个方向飞出. 1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( D ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 * C ．沿水平方向向左 D ．沿水平方向向右 2(双)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ AD ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 3(双)、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ BD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V'
质谱仪与回旋加速器 【教学目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。【教学难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学过程】 一、复习导入 1．实例： 如图所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场， 磁感应强度大小为B，一个初速度大小为v0的带电粒子 （质量为m，电荷量为q）沿该磁场的直径方向从P点射 入，在洛伦兹力的作用下从Q点离开磁场。 （1）可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延 长线必过圆心。 （2）设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相 比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tanθ 2＝r/R＝qBr mv0 可见，对于一定的带电粒子（m，q一定），可以通过调节B和v0的大小来控制粒子的偏转角度θ。 2．特点： 利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小。 二、新课教学 （一）质谱仪 1．质谱仪的结构原理
质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪。 （1）离子发生器：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计； （2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出； （3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出； （4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动； （5）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上。 2．问题讨论： 设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计）， 粒子经电场加速由动能定理有：qU=1 2 mv2①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有：L=2mv Bq ②； 联立①②解得：m=qB 2L2 8U ；q m =8U B2L2 。 另一种表达形式 同位素荷质比和质量的测定：粒子通过加速电场，通过速度选择器，根据匀速运动 的条件：v=E B0。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则L=2R=2mv Bq =2mE B0Bq ，所
一 粒子速度选择器练习 如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关 若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( C ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 C ．沿水平方向向左 D ．沿水平方向向右 2(单)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 3、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ AD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V'
高中物理速度选择器和回旋加速器真题汇编 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =