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利用质谱仪进行物质成分分析的方法介绍质谱仪是一种非常重要的科学仪器，可以用来分析物质的成分。
它通过测量物质分子的质荷比，能够得到物质的分子质量、分子结构以及其他相关信息。
利用质谱仪进行物质成分分析，已经成为现代科学研究和工业应用的重要手段之一。
首先，我们来了解一下质谱仪的基本原理。
质谱仪的工作原理是将待测样品分子分子转化为带电离子，并将离子分子按照质量-电荷比进行分离和检测。
这个过程主要分为三个步骤：样品的离子化、离子分子的分离和离子分子的检测。
在样品的离子化过程中，常用的方法有电离和解析质谱法。
常用的电离方法有电子轰击电离、化学电离、电喷雾电离等。
当样品中的分子受到电子轰击后，会失去一个电子，形成带正电荷的离子。
此时，离子会被加速器电场加速，并经过带有孔径的半导体材料，形成高速离子束。
这些离子束会进入质谱仪中的磁场区域，经过分离器的作用，离子被分离成不同质量的离子。
离子分子的分离过程是通过磁场和/或电场来实现的。
在质谱仪中，有不同种类的分离器，如区域束分离器、四极杆分离器、离子阱分离器等。
这些分离器能够根据离子的质量和电荷量来进行有效的分离。
最后，离子分子的检测是质谱仪的最后一个关键步骤。
离子在经过分离后，会以不同的强度落到检测器上。
常用的检测器有离子多重探测器、电子倍增器、毛细管检测器等。
这些检测器能够将离子分子的信号转化为电信号，并进行放大和处理，从而得到样品的质谱图。
在质谱仪进行物质成分分析时，还需要进行一些预处理工作，如样品的制备、样品进样等。
样品制备是将待测样品处理成适合质谱仪分析的形式。
例如，在固体样品分析中，可以通过研磨、溶解等方法将样品转化为可供质谱仪分析的气态或液态物质。
样品进样是将样品引入到质谱仪中进行分析的过程。
常见的进样方式包括直接进样、气相色谱联用、液相色谱联用等。
质谱仪的应用非常广泛。
在环境科学中，质谱仪可以用于大气中有害气体的监测和分析，如空气中的VOCs（挥发性有机物）和PM2.5（可吸入颗粒物）等。
西安加速器质谱中心简介“西安加速器质谱中心”是在中国科学院、教育部和国家科技部的大力支持下，由中科院地球环境研究所与西安交通大学于2004年7月签订协议，联合筹建。
该中心是院校合作的一个实例，它是由中国科学院院领导（路院长、陈院长、李院长），西安交通大学校长郑南宁院士以及中科院地球环境研究所原所长安芷生院士共同倡议的。
正在建设的中心拥有的主要设备是从荷兰高压工程公司（HVEE）引进的三百万伏特（3MV）串列加速器质谱仪。
加速器质谱仪（简称AMS）就是把加速器技术（一种把带电粒子加速到高能量的装置）结合质谱仪技术（一种分析和测量不同质量的原子或分子的仪器）而构成的一种超高灵敏度质谱分析设备。
它分析的灵敏度可达10-12-10-16,也就是可以从千万亿个被测量的原子中把一个所要探测的原子(如放射性14C原子)分辨出来。
AMS的高灵敏度特点也导致了另一个优点,就是可以进行微量分析,它所需的样品量可以少于1mg。
所以AMS成为精确探测微量的长寿命放射性同位素的最前沿的大型仪器装备。
天然的长寿命放射性核素(如10Be、 14C、 26Al和 129I)都是宇宙射线在大气层中核反应的产物,它们通过降雨或降尘沉降到地表（海洋、冰川、陆地等）。
当它们深埋在海底、冰芯和地层与大气隔绝后，放射性强度就不断衰减。
测量沉积物上残留的放射性强度，就能推算出它们的年代，也叫断代，这种方法叫“衰变法”。
由于这些长寿命放射性核素的半衰期很长，10Be（1.5×106年）、14C(5730年)、26Al(7.0×105年)、以及129I（1.6×107年），所以衰变法测量时间长，所需样品量多，它不适合测量半衰期比14C长的其它核素。
即使是测量半衰期较短的14C，一克现代碳样品，每分钟只有13次放射计数。
而一克现代碳样品中实际上却包含了六百五十亿个14C原子。
如果我们直接测量样品中的14C原子数，测量计数率将大大提高。
加速器质谱测量原理加速器质谱（Accelerator Mass Spectrometry，AMS）是一种现代化的放射性同位素测量技术，常用于研究地球科学、天文学、生物学等领域。
本文将对AMS测量原理进行详细介绍。
一、 AMS技术背景AMS技术源于质谱学，是一种放射性同位素测量技术。
与传统质谱测量不同，AMS测量的是放射性同位素的质量。
在AMS技术测量中，使用加速器将待测样品中含有的放射性同位素加速到高能级别（一般千万亿级别的电子伏特），然后将样品离散为单个原子，这些离散原子具有较高的动能和较小的电荷，这种离散的单个原子可以在磁场中进行二次离子化，接下来，离子将被分离出来并在收集器中形成放射性同位素。
在AMS测量中，目标是测量含放射性同位素的样品中的稀有元素或同位素。
这些元素的分析受到各种因素的影响，如样品的制备方法，样品的来源和历史等。
随着AMS技术的不断发展，不断出现新的技术手段，可以测量的同位素也越来越多。
AMS测量中，样品中的放射性同位素第一次离子化，将成为正离子。
这种正离子在加速器中受到电场和磁场的作用进行加速，直到其动能达到足够高的水平，以进入能够进行质谱分析的区域。
在加速器的起始端，正离子会进入一个低压区域，其中包含一组扇形电极。
这些电极被设置在一定的角度上，使得离子在其上经历轨迹旋转。
接下来，离子进入一个更高的电场中，通常被称为“高压区域”。
在这个区域中，电场通过其引导离子以极高的速度进行运动，以通过加速器的整个长度。
加速器的核心组件是一个回旋加速器环，这个环的直径通常介于50到100米之间。
该环由一系列的磁铁组成，并在磁场内制造了一个旋转的电场加速器。
加速器中的离子在旋转过程中逐渐加速并获得更高能量，最终达到一定的最高能量（大约1个千万亿电子伏特）后，离子会进入一个“磁分离器”中。
磁分离器包括一个由强磁铁组成的“弯曲区域”，曲线是负切线形状。
正离子在穿过弯曲区域时会受到电磁力的重力，从而轨迹被扭曲。
加速器质谱碳—14测年法碳-14测年法，也被称为放射性碳定年法，是一种通过测量物质中放射性碳-14同位素的衰变速率，来确定该物质的年龄的方法。
本文将一步一步回答与加速器质谱碳-14测年法相关的问题，并详细解释这个过程的原理和应用。
什么是碳-14测年法？碳-14测年法利用放射性碳-14同位素的衰变速率来确定物质的年龄。
碳-14同位素是一种具有放射性的碳同位素，在地球上广泛存在于大气中，并通过生物食物链进入生物体内。
当生物体死亡后，它不再吸收新的碳-14，而现有的碳-14开始衰变。
通过测量物质中残留的碳-14的含量，可以推断出物质的年龄。
什么是加速器质谱？加速器质谱是一种测量放射性同位素含量的技术，它克服了传统质谱方法中对物质样本进行离子化的限制。
加速器质谱使用粒子加速器将样本中的原子离子化，并通过静电和磁场将离子引导到质谱仪中进行测量。
这种方法具有高灵敏度和高精确度的优势，因此广泛应用于碳-14测年法中。
碳-14测年法的原理是什么？碳-14同位素的衰变速率是已知的，它的半衰期约为5730年。
半衰期是指半数同位素原子衰变所需的时间。
在物质死亡后，它所含的碳-14会不断地衰变为氮-14。
通过测量物质中残留的碳-14含量与氮-14含量的比例，可以计算出该物质的年龄。
具体的测量过程如下：1. 采集样品：需要测定年龄的物质通常是有机物，例如骨骼、木材或纺织品。
为了保持样品的完整性，通常只需采集小的样品量即可。
2. 样品预处理：将采集的样品进行一系列的预处理步骤，以去除可能存在的污染物，例如现代大气中的碳含量。
这样可以确保测得的是来自于化石或遗物中的碳-14。
3. 离子化：将样品中的碳转化为离子态，通常采用加速器质谱技术中的离子源离子化样品。
这个步骤会产生一个含有样品离子的离子束。
4. 分选和加速：使用静电和磁场，加速器将样品离子束分选出其所需的碳-14离子，将其加速到一定能量。
5. 测量和计数：加速的碳-14离子进入质谱仪，在其中与收集屏幕碰撞，生成荧光。
离子探测器的工作原理离子探测器是一种广泛应用于物理、化学、生物等领域的重要工具。
该设备能够测量分离出的离子在跟踪被测样品的路线过程中，通过其对样品的碰撞和电离作用，分析得到其化学成分及分布情况。
离子探测器是一个极为精密的仪器，能够准确测量样品中非常低的离子浓度，因此被广泛应用于环境监测、药物分析、核工业等领域，下面介绍一下离子探测器的工作原理。
离子探测器主要通过分析离子的数目、质量、电荷和动能等特性来确定其化学成分和分布情况。
离子探测器的工作流程包括质谱、电离和检测三个阶段。
1.质谱质谱是将被测样品中的离子转化为一个稳定的离子束。
样品再经过一系列的处理后，被加速至一个极高的能量，形成离子束。
离子束由束流发射器射入离子源区，该区域包括了离子化和加速器部分。
离子束进入离子源后，它们首先被气相中的中性分子离子化。
离子化过程是通过电子束、激光束和气体放电等方式实现的。
离子源区的气氛是保持恒定和稳定的，离子构成和气压的变化会影响到测量的准确性。
离子源区的环境应该保持极为稳定和可控，检测到的信号才能够有较高的精准度。
除此之外，离子源区内也应保持低压，以防止与静电场中非理想的粒子互相干扰。
离子加速器通常使用四极加速器，其目的是将离子束加速到一定的速度，以便在跟踪方式下对其进行分析。
四极加速器有两组偏转器宽的电极和两组较窄的回波电极组成，这些电极在电场配置的过程中可起到调节束流方向和速率的作用。
离子束通过四极加速器后，其电能与释放信息才最终处理。
2.电离当离子束进入离子源区时，它们遇到了水或气体分子，从而失去了一部分能量并被电离。
在离子源区的高压电场中，材料中微小的分子会逐步受到离子束的辐射，并被激发成为原子或分子的带电态。
带电的离子进一步激发周围的材料，从而导致更多的离子化产生。
在离子源区的中性气体分子被离子化后，产生的正离子和负离子会被分离时进行电位离子穿透，从而成为一个带电态的气体原子或分子，其质量重量取决于其他成分的相对数量。
质谱仪和回旋加速器知识点
质谱仪（Mass Spectrometer）是一种广泛应用于化学、生物、环境等领域的科学仪器，用
于分析物质的成分和结构。
其基本原理是通过将待分析样品中的分子或原子化为离子，然后根据离子的质量-电荷比（m/z）来进行分析和检测。
质谱仪的主要组成部分包括离子化源（Ionization Source）、质量分析器（Mass Analyzer）和检测器（Detector）。
离子化源将待分析样品中的分子或原子转化为离子，常用的离子化方法包
括电离（Ionization）、化学电离、电子轰击电离等。
质量分析器根据离子的质量-电荷比（m/z）来对其进行分析和筛选，常见的质量分析器有磁扇质谱仪（Magnetic Sector Mass Analyzer）、
四极杆质谱仪（Quadrupole Mass Analyzer）、飞行时间质谱仪（Time-of-Flight Mass Analyzer）等。
检测器用于检测离子的到达时间和强度，常见的检测器包括离子多道器（Multi-Channel Plate）、光电倍增管等。
回旋加速器（Cyclotron）是一种用于加速离子的设备，其基本原理是通过在强磁场中不断加速的方式，使离子绕着一个闭合轨道做圆周运动，并不断增加速度和能量。
回旋加速器的核心部分是一个圆形加速腔室，离子通过加速前部分的加速腔室进入回转腔室，然后在回转腔室内受到周期性变化的电场加速，最终达到所需的能量。
加速腔室中的强磁场用于控制离子在加速过程中的运动轨迹。
回旋加速器可以用于产生高能量的离子束，常见的应用包括核物理研究、粒子物理实验和医学放射治疗等领域。
大气^(14)CO_(2)的加速器质谱分析技术研究进展
崔晓宇;邢冠华;王超;于建钊;袁懋
【期刊名称】《中国环境监测》
【年(卷),期】2024(40)2
【摘要】利用加速器质谱技术测定大气^(14)CO_(2)以示踪大气化石源CO_(2)成为当前减污降碳工作的热点。
该文从加速器质谱14 C分析基础出发,系统介绍了加速器质谱的工作原理、大气样品的采集及纯化、石墨化样品的制备和测定,阐述了大气碳监测领域^(14)CO_(2)测试的研究进展。
随着加速器质谱技术的不断发展,大气^(14)CO_(2)的研究将会更加广泛和深入,有助于进一步认识大气化石源
CO_(2)的来源,更有针对性地开展减污降碳工作。
未来应统一制定^(14)CO_(2)监测方法标准,规范操作流程和质控手段,完善实验仪器配套设施,加快提升监测能力和水平。
【总页数】12页(P41-52)
【作者】崔晓宇;邢冠华;王超;于建钊;袁懋
【作者单位】中国环境监测总站;黑龙江省佳木斯生态环境监测中心
【正文语种】中文
【中图分类】X83
【相关文献】
1.基于小型单极加速器质谱测量14C的样品制备技术研究
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3.应用加速器质谱技术检测体外细胞中^(14)C标记的苯并
芘-DNA加合物4.质谱分析及第二代测序技术检测白血病微小残留病的研究进展5.环境及生物样品中黑碳的质谱分析技术研究进展
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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图1 静电分析器分析同位素的成分F ig .1 Iso tope componen ts ob tained byelectro static deflecto r素成分的分析结果示于图1。
图中A =64代表质量数为64的同量异位素。
1.2 飞行时间分析方法离子经静电分析器后可排除绝大多数干扰同位素离子。
当被分析核素的丰度很低时,单用静电分析器很难对其分析,这时同位素仍会对所测核素产生干扰。
为此,除了用静电分析器外,仍需进一步对同位素进行分辨。
利用在非相对论时匀速飞行离子的飞行时间t 与离子质量m 的关系m =2E (t l )2(E 为离子能量,l 为离子飞行距离)可因飞行时间不同而将同位素分开[2]。
2 鉴别同量异位素的入射离子X 射线测量方法211 入射离子X 射线测量方法的提出同量异位素的质量基本一样,它们在加速图2 入射离子和靶的K 层电子空位截面F ig .2 P ro jectile and target K 2vacancycro ss secti on s器质谱系统中飞行路径也基本相同。
因此,对同量异位素的分辨需依靠能对离子核电荷数(Z )进行鉴别的方法来实现。
对Z 分辨一般常用在介质中离子能量损失∃E 2E 法,这种方法要求离子的能量达到1～5M eV u ,且只对Z <20的核素较为有效。
对Z >20的核素需要更高的能量[3],这对于常用的串列加速器很难满足。
当一定能量的离子打在靶上时,靶不仅会产生X 射线,入射离子也会产生X 射线。
不同元素的特征X 射线能量不同,测量入射离子产生的特征X 射线可对入射离子进行Z 鉴别。
这种方法对离子的能量要求不高,不同核素X 射线的分辨基本与离子能量无关,可实现在一般能量下重核的同量异位素鉴别。
212 入射离子X 射线产额1)入射离子X 射线产额与靶的关系入射离子产生K 层电子空位的截面与靶核的关系已由M eyerhof W .E .[4]进行了讨论。
在入射离子K 层电子结合能和靶离子的K 层电子结合能比较接近时,入射离子在此区域产生K 层的电离截面大,产生KX 射线的几率也高。
30M eV 的B r 打在不同靶上时入射离子和靶产生K 层电子空位截面随靶的变化情况示于图2。
可以看出,靶产生K 层电子空位截面随靶的核电荷数(Z 2)031原子能科学技术 第33卷急剧变化,而入射离子产生K 层电子空位截面随Z 2则有一共振区域,这一区域就是靶与入射离子的K 层电子结合能比较接近的区域。
另外,在Z 2接近80处也有一共振区域,这是由于在这一区域入射离子的K 层电子结合能与靶的L 层电子结合能比较接近的缘故。
2)入射离子X 射线产额与入射离子能量的关系对于厚靶,入射离子X 射线产额(Y )与离子能量(E )间遵循Y ∝E Β关系。
Β(Z 1,Z 2,E )[4]与入射离子核电荷数Z 1、能量E 及靶的核电荷数Z 2有关。
Β对E 不敏感,在很大能量范围内基本为一常数。
对于一定的入射离子和靶,X 射线产额随入射离子能量的增大而增大。
213 入射离子X 射线分析1)入射离子X 射线的分析经加速后的离子打在特定靶上,入射离子发射特征X 射线,这些特征X 射线能量一般约为十几keV ,可采用Si (L i )探测器对X 射线能量进行测量。
为增大测量的立体角,通常将探头直接放在靶的后面,同时为吸收低能离子和一些低能X 射线,在靶与探头间放置一吸收膜。
入射离子和靶产生的X 射线经探测器测量后进行X 射线分析。
78Se 和79B r 打在1717g m 2Zr 靶上的特征X 射线能谱示于图3。
可以看出:利用入射离子发射的X 射线可将束流中的同量异图3 B r 和Se 在Zr 靶上的X 射线谱F ig .3 X 2ray spectra of B r and Se on a Zr target fo il位素分开。
在此能量下,用能量损失∃E 2E 法根本无法做到。
2)入射离子X 射线分析需注意的几个问题(1)多普勒效应 与P I XE 方法不同的是,入射离子X 射线测量中要注意的问题是多普勒效应。
入射离子产生的X 射线是离子在通过靶的慢化过程中发出的,这些X 射线会产生多普勒频移。
多普勒频移的大小由E =E 0(1+vcco s Η)给出。
E 0为静止时发射X 射线的能量,v 为离子的速度,c为光速,Η为离子运动方向和探测器的夹角。
多普勒效应不仅使测得的X 射线峰位产生移动,而且还会使X 射线能谱展宽。
例如,对于将探测器放在靶后面(Η=0°)、能量为80M eV 的Se ,X 射线的多普勒频移为0.047E 0。
80M eV 的Se 从进入到停在靶中产生的X 射线的多普勒展宽为520eV (Η=0°)。
而Se 和B r 的K Α能量相差700eV ,这对分辨很不利。
当Η=90°时,多普勒展宽为0,但测量的立体角将减小。
另外,对实验装置的安排也存在困难。
减小多普勒效应的另一办法是让离子在靶中通过时能量损失减小,即离子进入靶和射出靶时的能量差小能有效降低多普勒展宽。
如,80M eV 的Se 通过22g m 2的Zr 膜时能量减小到40M eV ,它们产生的X 射线的展宽只有150eV ,穿过靶的离子用低Z 材料,如Cap ton 吸收膜。
Se 在低Z 材料上产生X 射线的截面比在Zr 靶上的截面小3个数量级,从而有效地避免了多普勒效应。
但薄靶的缺点在于降131第2期 何 明等:重核离子束成分的加速器质谱分析低了X 射线的产额。
在不同厚度的Zr 靶上,厚度与入射离子X 射线的产额Y 、峰的半高宽(FW HM )、压低因子R ±Ρ和R ±2Ρ的关系列于表1。
压低因子指干扰核素(如79B r )产生X 射线峰的总计数与此峰在被干扰峰(如79Se )的±1Ρ(±2Ρ)范围内拖尾的计数之比。
在测量中需根据情况选取适当的靶厚。
表1 靶厚与Se 的X 射线产额Y 、峰的半高宽及压低因子的关系Table 1 The rela tion sh ip between the target th ickness and the X -ray y ield ,F W H M ,suppression factorZr 靶厚 g ・m -2Y FW HM eVR ±ΡR ±2Ρ24.01.2×10-2291894517.71.45×10-22791276012.51.05×10-226618084图4 质量数为64的核素产生的X 射线谱F ig .4 X 2ray spectrum fo r the m ass num ber of 64(2)吸收膜 根据光电截面具有强烈吸收限这一特点,可选用合适的吸收物质来抑制某种元素的特征X 射线强度,从而比较明显地显示出那些原来被掩盖的元素的特征X 射线峰。
在分析某些元素时,如果它的干扰核素的X 射线能量高于欲分析的X 射线能量,可选用合适的吸收膜,使该膜的吸收限位于两条X 射线的能量之间来吸收干扰核素的X 射线。
3)入射离子X 射线分析的局限入射离子产生X 射线的产额较低,用于测量X 射线的Si (L i )探测器的B e 窗距探测器晶体有一定的距离,且晶体的有效直径在10mm 左右,虽然靶贴近探测器,但测量立体角最大也只有1Π左右,测量效率比较低。
另外,由多普勒效应引起能谱的展宽以及康普顿散射、边缘效应等引起的拖尾对于X 射线的分析都有不利影响。
尽管如此,它在低能下分析同量异位素的能力及在测量装置简单等方面的优点足以弥补上述不足。
3 重核离子束分析技术的应用311 加速器质谱技术加速器质谱计是目前分析技术中灵敏度最高的一种分析核素的方法。
在分析测量过程中主要是排除同位素和同量异位素的干扰,最后由探测器记录所要测量核素的原子数目。
同位素可用静电分析器和飞行时间系统进行分辨,而对于比较重的核素或离子能量比较低时用入射离子产生的特征X 射线分析法排除同量异位素干扰是最佳选择。
它和AM S 方法有机地结合231原子能科学技术 第33卷在一起可将测量的灵敏度在原有的基础上提高2个数量级。
方法在AM S 分析重核,如59N i 、63N i 、79Se 、126Sn 等已得到实际应用[5]。
