長壽命放射性惰性氣體同位素(如⁸⁵Kr、⁸¹Kr和³⁹Ar)物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可以長期穩(wěn)定地存在于大氣中,是理想的示蹤同位素,在地球物理與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。惰性氣體元素大氣含量低,其放射性同位素豐度極低,尚無成熟、高效的定量測量方法,如何對其進(jìn)行高效、高靈敏檢測成為一個亟待解決的技術(shù)難題。以激光冷卻和囚禁技術(shù)為基礎(chǔ)的原子阱痕量檢測技術(shù),具有單原子級別探測靈敏度、同位素級別分辨率和零本底探測的獨(dú)特優(yōu)勢,可對長壽命放射性惰性氣體同位素進(jìn)行快速、高效檢測。介紹了低輻射計數(shù)法、加速器質(zhì)譜法和原子阱痕量檢測技術(shù)三種痕量同位素檢測方法,重點(diǎn)分析了原子阱痕量檢測流程和基本原理,并結(jié)合應(yīng)用前景論述了原子阱痕量檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀。 

【文章來源】：兵器裝備工程學(xué)報. 2020,41(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

低輻射計數(shù)法裝置結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)譜法(Mass Spectrometry)是利用電磁場將離子(帶電荷的原子和分子)按照荷質(zhì)比分離檢測的方法。質(zhì)譜法工作原理如圖2所示，首先將待測樣品電離，產(chǎn)生各種荷質(zhì)比不同的離子，利用不同荷質(zhì)比離子在靜電場和磁場中作用力不同進(jìn)行分離，然后針對分離出的某一種離子，進(jìn)行檢測和分析。質(zhì)譜法靈敏度相當(dāng)高，可以檢測同位素豐度高于10-9的放射性同位素樣品，但是對于同位素豐度更低的放射性同位素樣品，常規(guī)的質(zhì)譜法難以奏效。并且，豐度更低的同位素樣品往往存在著高豐度同量異位素的干擾，如14C檢測中(14N)+6對(14C)+6存在干擾，同量異位素之間質(zhì)量差小于10-5，荷質(zhì)比極為接近，常規(guī)質(zhì)譜法難以區(qū)分[15]。為了排除同量異位素帶來的干擾，1977年Muller提出采用加速器分離14C和10Be的高豐度同量異位素[16]，隨后McMaster大學(xué)和Rochester大學(xué)結(jié)合質(zhì)譜法和串聯(lián)加速器，分別完成了對14C的測量，形成了集加速器技術(shù)、質(zhì)譜檢測方法、粒子分辨和探測技術(shù)于一體的新型同位素檢測方法，即加速器質(zhì)譜方法。如圖3所示，加速器質(zhì)譜裝置通常包括負(fù)離子源、低能注入與分析系統(tǒng)、加速器(常用串列加速器)、高能離子傳輸與分析系統(tǒng)、粒子探測器[17]。AMS檢測可劃分為以下5個階段:

5)離子束流經(jīng)高能分析后，與待測離子具有相同質(zhì)荷比M/q的同量異位素仍不能排除，需要借助ΔE-E氣體探測器或飛行時間探測器等高分辨率離子探測技術(shù)進(jìn)一步區(qū)分。憑借高靈敏度和高分辨率的優(yōu)勢，AMS方法已經(jīng)逐步取代LLC方法成為14C的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，但AMS方法在惰性氣體同位素檢測上遇到了極大挑戰(zhàn)。惰性氣體原子是閉殼層組態(tài)原子，難以再得到電子形成負(fù)離子，常規(guī)的AMS檢測手段無法對其進(jìn)行分析。1997年，Collon團(tuán)隊對常規(guī)的AMS裝置做了一些改進(jìn)[18]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用超導(dǎo)回旋電子振蕩器正離子源替代傳統(tǒng)的負(fù)離子源，并選用了能量更高的回旋加速器(約4 Ge V)替代常用的串列加速器，利用改進(jìn)后的AMS裝置首次測量到20～40萬年前的地下水樣品中的81Kr同位素，總檢測效率約10-5，年代測量精度為15%，共使用了16 t地下水(約0.5 m L標(biāo)況下氪氣)。Collon團(tuán)隊采用同樣方法在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的線性加速器平臺上對亞特蘭大洋流水樣品中的39Ar原子進(jìn)行計數(shù)，得到39Ar的同位素豐度為8×10-16，其檢測效率約10-3。此外，AMS方法對85Kr的檢測方法與81Kr基本相同。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種用于氪原子的環(huán)形永磁體塞曼減速器[J]. 游翔宇,馮高平,王明東,饒偉,宋俊玲,王廣宇,洪延姬.  紅外與激光工程. 2019(05)
[2]射頻放電方法產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)氪原子束流技術(shù)研究[J]. 游翔宇,馮高平,王明東,朱曉輝.  機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新. 2018(05)
[3]激光冷卻獲得高亮度的亞穩(wěn)態(tài)惰性氣體原子束和原子阱[J]. 程存峰,楊國民,蔣蔚,潘虎,孫羽,劉安雯,成國勝,胡水明.  物理學(xué)報. 2011(10)
[4]低水平γ射線測量中的本底問題[J]. 馮江平,陳羽,楊華龍.  核電子學(xué)與探測技術(shù). 2009(03)

博士論文
[1]地下水溶解氪氣分析用于放射性氪同位素測年[D]. 涂樂義.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015
[2]原子阱痕量分析方法測量環(huán)境樣品中的85Kr和81Kr[D]. 楊國民.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015
[3]激光冷卻原子阱方法檢測痕量稀有氣體同位素[D]. 程存峰.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012



本文編號：3542696