Espectrometria de masses acceleradora
Desenvolupament
Els acceleradors de partícules utilitzats en la física nuclear es poden veure com espectròmetres de massa de formes força distorsionades, però els tres elements principals —la font d’ions, l’analitzador i el detector— sempre hi són presents. LW Alvarez i Robert Cornog dels Estats Units van utilitzar per primera vegada un accelerador com a espectròmetre de masses el 1939 quan van utilitzar un ciclotró per demostrar que l'heli-3 (3 He) era estable en lloc que l'hidrogen-3 (3)H), una qüestió important en la física nuclear d’aleshores. També van demostrar que l’heli-3 era un component de l’heli natural. El seu mètode era el mateix que el descrit anteriorment per l'omegatron, tret que s'utilitzés un ciclotró de mida completa, i distingia fàcilment els dos isòtops. El mètode no es va tornar a fer servir gairebé 40 anys; tanmateix, ha trobat aplicació en la mesura dels isòtops cosmogènics, els radioisòtops produïts pels raigs còsmics incidents a la Terra o objectes planetaris. Aquests isòtops són extremadament rars, amb abundàncies de l'ordre d'un milió de mil·lèsimes de l'element terrestre corresponent, que és una relació isotòpica molt superior a les capacitats dels espectròmetres de masses normals. Si la semivida d'un isòtop cosmogènic és relativament curta, com ara el berili-7 (7 Be; 53 dies) o el carboni-14 (14 C; 5.730 anys), la seva concentració en una mostra es pot determinar mitjançant un recompte radioactiu; però si la semivida és llarga, com ara el beril·li-10 (10 Be; 1,5 milions d’anys) o el clor-36 (36 Cl; 0,3 milions d’anys), aquest curs no és eficaç. L’avantatge del gran espectròmetre de massa d’accelerador d’alta energia és la gran selectivitat del detector que resulta d’ions amb 1.000 vegades més energia que qualsevol màquina disponible prèviament. Els espectròmetres de masses convencionals tenen dificultats per mesurar abundàncies inferiors a les cent mil·lèsimes de l’isòtop de referència, perquè els ions interferents s’escampen a la ubicació de l’analitzador on s’ha de cercar l’isòtop de baixa abundància. Els extrems de precaució elevada de buit i antiscattering poden millorar-ho en un factor de 10, però no en el factor de 100 milions que es requereix. Un accelerador pateix aquest defecte fins a un grau encara més gran i es troben grans quantitats d’ions “escombraries” a la ubicació prevista de l’analitzador de l’isòtop cosmogènic. La capacitat de determinats tipus de detectors de partícules nuclears per identificar el ió rellevant permet que l'espectròmetre de masses de l'accelerador superi aquesta mancança i funcioni com a potent eina analítica.
Funcionament de l’accelerador electrostàtic en tàndem
L’accelerador electrostàtic en tàndem (vegeu l’accelerador de partícules: generadors Van de Graaff) va desplaçar ràpidament totes les altres màquines amb aquesta finalitat, principalment perquè la seva font d’ió, la font d’espessor de cesi descrita anteriorment, es troba a prop del potencial del sòl i és fàcilment accessible per canviar mostres. Els ions han de ser negatius, però això no demostra ser un handicap, ja que es produeixen fàcilment i eficaçment. Abans d’entrar al tub d’alta tensió, els ions s’analitzen en massa de manera que només entra el passador que surt a l’emplaçament de la massa de l’isòtop cosmogènic; el feix intens d’isòtops de referència es mesura sovint en aquest lloc sense entrar en l’accelerador. El feix d’isòtop cosmogènic s’atreu cap al terminal d’alta tensió de la màquina on es produeixen col·lisions amb gas o una làmina fina de carboni o ambdues tires diversos números d’electrons, deixant així l’isòtop amb una distribució d’estats de càrrega positiva múltiples que són repel·lits per la terminal carregat positivament. Tots els ions moleculars es desglossen. El feix emergent passa aleshores per analitzar camps dels quals un imant d’alta dispersió és la part principal. Al sortir de l'analitzador, el feix entra al detector. Cada ió s’examina individualment de manera que permeti establir la seva identitat. La manera més habitual de fer-ho és mitjançant la combinació de dos detectors de partícules: un detector mesura la velocitat amb què la partícula perd energia al passar una determinada longitud de matèria, mentre que l’altra mesura alhora l’energia total de la partícula. Els recomptes s’emmagatzemen a les papereres d’una matriu d’ordinadors bidimensionals, les coordenades de les quals es donen per les amplituds dels senyals dels dos detectors. Els nombrosos ions "escombraries" prenen valors dels dos detectors que omplen les regions de la matriu de dades, però generalment no solapen la regió ben definida ocupada per l'ió subjecte. Cada tipus d’isòtop requereix un sistema de detecció especialment dissenyat amb diversos camps d’anàlisi addicionals i, en alguns casos, fins i tot l’ús de tècniques de temps de vol. A la figura 8 es mostra un esquema esquemàtic d’un espectròmetre de massa d’accelerador.
