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小型加速器质谱系统研制及分析技术研究

何明 包轶文 苏胜勇 游曲波 李康宁 赵庆章 庞仪俊 胡畔 张文慧 龚杰 何洪钰 胡跃明

何明, 包轶文, 苏胜勇, 游曲波, 李康宁, 赵庆章, 庞仪俊, 胡畔, 张文慧, 龚杰, 何洪钰, 胡跃明. 小型加速器质谱系统研制及分析技术研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
引用本文: 何明, 包轶文, 苏胜勇, 游曲波, 李康宁, 赵庆章, 庞仪俊, 胡畔, 张文慧, 龚杰, 何洪钰, 胡跃明. 小型加速器质谱系统研制及分析技术研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
Ming HE, Yiwen BAO, Shengyong SU, Qubo YOU, Kangning LI, Qingzhang ZHAO, Yijun PANG, Pan HU, Wenhui ZHANG, Jie GONG, Hongyu HE, Yueming HU. Development the Miniaturized AMS System and Its Analysis Technique[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
Citation: Ming HE, Yiwen BAO, Shengyong SU, Qubo YOU, Kangning LI, Qingzhang ZHAO, Yijun PANG, Pan HU, Wenhui ZHANG, Jie GONG, Hongyu HE, Yueming HU. Development the Miniaturized AMS System and Its Analysis Technique[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01

小型加速器质谱系统研制及分析技术研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
基金项目: 国家自然基金资助项目(11875326, 11675269); 国家财政部稳定支持研究经费(WDJC-2019-04); 国防科工局核能开发项目
详细信息
    作者简介:

    何明(1969–),男,河南西峡县人,研究员,博士,从事核分析技术研究;E-mail:minghe@ciae.ac.cn

  • 中图分类号: O571.1

Development the Miniaturized AMS System and Its Analysis Technique

Funds: National Natural Science Foundation of China(11675269, 1875326, 11575296); Continuous Basic Scientific Research Project(WDJC-2019-04); Nuclear Energy Development Project of Commission of science,Technology and Industry for National Defence.
图(11) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-15
  • 修回日期:  2020-01-02
  • 网络出版日期:  2020-09-01

小型加速器质谱系统研制及分析技术研究

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
    基金项目:  国家自然基金资助项目(11875326, 11675269); 国家财政部稳定支持研究经费(WDJC-2019-04); 国防科工局核能开发项目
    作者简介:

    何明(1969–),男,河南西峡县人,研究员,博士,从事核分析技术研究;E-mail:minghe@ciae.ac.cn

  • 中图分类号: O571.1

摘要: 加速器质谱(AMS)是测量长寿命放射性核素灵敏度最高的分析技术,在环境、地质、考古、物理等领域有着广泛应用。近年来,AMS装置的小型化在国际上得到了很大发展。为了研发小型化AMS装置及其分析技术,中国原子能科学研究院分别自主研制了加速电压为0.2 MV的单极型AMS装置和端电压为0.3 MV的串列型AMS装置。基于研制的单极型AMS装置,成功开展了14C的高效传输和本底排除技术研究,实现了14C的高灵敏测定,14C/12C的测量灵敏度达到2×10–15;利用研制的串列型AMS装置,开展了低能量下129I的气体剥离条件、本底排除和探测方法研究,建立了129I的高效传输和高灵敏测量方法,129I/127I的测量灵敏度为1×10–14。这是国内首次研制成功小型AMS装置,为AMS国产化奠定基础。

English Abstract

何明, 包轶文, 苏胜勇, 游曲波, 李康宁, 赵庆章, 庞仪俊, 胡畔, 张文慧, 龚杰, 何洪钰, 胡跃明. 小型加速器质谱系统研制及分析技术研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
引用本文: 何明, 包轶文, 苏胜勇, 游曲波, 李康宁, 赵庆章, 庞仪俊, 胡畔, 张文慧, 龚杰, 何洪钰, 胡跃明. 小型加速器质谱系统研制及分析技术研究[J]. 原子核物理评论. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
Ming HE, Yiwen BAO, Shengyong SU, Qubo YOU, Kangning LI, Qingzhang ZHAO, Yijun PANG, Pan HU, Wenhui ZHANG, Jie GONG, Hongyu HE, Yueming HU. Development the Miniaturized AMS System and Its Analysis Technique[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
Citation: Ming HE, Yiwen BAO, Shengyong SU, Qubo YOU, Kangning LI, Qingzhang ZHAO, Yijun PANG, Pan HU, Wenhui ZHANG, Jie GONG, Hongyu HE, Yueming HU. Development the Miniaturized AMS System and Its Analysis Technique[J]. Nuclear Physics Review. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019CNPC01
    • 加速器质谱(AMS)是20世纪70年代末发展起来的一种超灵敏现代核分析技术[1-2]。它是基于加速器和离子探测器的一种高能质谱。加速器质谱测量灵敏度可达到10–15(同位素丰度比),是目前测量长寿命核素灵敏度最高的分析技术。由于其具有高灵敏度、测量时间短等的特点,因此在考古、地质、环境、生物医学、核物理与天体物理等领域得到广泛应用,研究范围上至宇宙射线、太阳活动,中至大气环流、生物代谢,下至海洋环流、地下水、地质地壳等等。

      AMS装置的发展趋势是小型化。初期用于AMS测量的是利用端电压大于6 MV的大型串列AMS系统[3],随后发展了基于端电压在1.5~3 MV的串列AMS系统[4];目前国际上在开展AMS小型化技术研究,研发了端电压为0.5 MV的紧凑型AMS测量装置[5],近年又发展了加速电压为0.2 MV的串列AMS测量装置[6-7],目前在研发端电压为0.3 MV的多核素串列型AMS测量装置[8]

      国内的AMS系统基本是进口设备。为了发展国产化AMS装置,中国原子能科学研究院近年来开展了AMS小型化装置研制和测量技术研究,成功研制了加速电压为0.2 MV的单极型AMS装置和端电压为0.3 MV的串列型AMS装置,开展了基于小型化AMS的多核素测量技术研究,本文将对两台AMS装置及其测量技术进行介绍。

    • 14C是AMS测量应用最为广泛的核素,根据14C测量的技术特点,本工作研制了加速电压为0.2 MV的单极型AMS系统。传统AMS系统采用的是串列加速方式,而本工作研制的AMS系统则采用单极加速方式,即负离子经加速剥离转化为正离子后不再加速。此技术的优势可以减少再加速过程电荷交换产生的本底,同时也能减少设备,有利于装置的小型化。

    • 单极型AMS系统整体结构示如图1所示。它主要包括负离子源、注入磁铁、加速管、气体剥离器、分析磁铁、静电分析器和探测器。为了实现单极加速,将负离子源、注入磁铁和静电四级透镜置于负0.2 MV高压台架上,其余部分处于地电位,通过加速管将高电位和地电位连接,为了提高束流传输效率在注入磁铁前后分别设置了一个导向器和三单元四极透镜。整个系统的占地面积为2.3 cm×3.9 m。

      图  1  (在线彩图)0.2 MV单极型AMS系统结构示意图

      离子源采用铯溅射负离子源,利用注入磁铁将不同质量的负离子进行分离,并将被测核素送入加速管;注入磁铁是偏转半径为350 mm偏转角度为90°的双聚焦二极磁铁;为了实现交替注入,将注入磁铁的真空盒与管道绝缘并加上不同电压以实现14C, 13C12C的交替注入;在注入磁铁像点附近设置两个偏置法拉第筒用于13C12C束流测量。经过注入磁铁进行质量选择后将被选离子进行加速并聚焦到气体剥离系统的剥离管中。气体剥离的作用是将负离子剥离成正离子同时将分子离子瓦解。气体剥离系统是排除本底提高灵敏度的关键环节,为了提高剥离管中气体厚度的稳定性和降低剥离气体对其它区域真空的影响,将气体剥离系统分为三个空间,最中间是剥离管,内径为7 mm,长度50 mm,剥离气体通过流量精确可调的针阀从剥离管中部送入,在剥离管两端利用两个分子泵抽走剥离管两端的气体,经过气阻后再利用分子泵抽走弥散过来的剥离气体。为了进一步降低弥散到分析磁铁区域的气体,在剥离器和分析磁铁之间增加一个分子泵。剥离后的正离子进入偏转半径为350 mm偏转角度为90°的双聚焦分析磁铁进行离子能量、质量和电荷态的选择,在分析磁铁像点附近设置三个偏置法拉第筒用于测量13C+12C+以及由13CH分子离子瓦解产生的13C+;经过分析磁铁后再利用双聚焦的球面型静电分析器(偏转角度为90°,偏转半径350 mm)对离子进行能量选择,最后由金硅面垒型半导体探测器对14C进行测定。

    • 国际上用于14C测量的AMS系统的能量基本都在0.5 MeV以上,本工作则是建立能量仅为0.2 MeV条件下对14C的测量。为了实现14C的高灵敏测定,通过实验对14C的传输方法、本底排除技术等进行研究。

      (1) 剥离气体的选择

      14C的AMS测量中,气体剥离是影响传输效率和本底水平的关键因素。为了实现AMS系统的高效传输,分别利用氩气、氮气和氦气作为剥离气体对0.2 MeV的12C进行了AMS系统传输效率研究,测量的结果如表1所列。结果显示剥离气体种类对传输效率影响很大。利用氦气作为剥离气体,同时选取1+电荷态可以提高传输效率。在低能量下氦气能提高传输效率是与氦气的特殊性质有关[9],因此在14C测量时采用氦气作为剥离气体并选择剥离后电荷态为1+的离子进行测量。

      表 1  12C的传输效率与剥离气体种类的关系

      剥离气体传输效率
      12C+/%12C2+/%
      Ar152.5
      N2203.2
      He426.8

      (2) 剥离气体厚度的选择

      14C测量时,由于氮不能形成负离子,因此在14C测量时不存在同量异位素14N的干扰。能对14C测量产生干扰的是与14C具有相同质量数的分子离子13CH和12CH2。气体剥离技术是排除分子本底的有效手段。分子离子穿过剥离气体时分子离子瓦解,其遵循的公式如下:

      $$ \frac{{N}_{\rm{m}}}{{N}_{0}}\!={\rm{e}}^{-\sigma d} $$

      其中: N0为分子离子原始数目;Nm为经过气体剥离后剩余的分子离子数;σ为分子离子瓦解截面;d为剥离气体的厚度。σ与离子能量、种类和剥离气体种类相关联,可以看出,剥离气体越厚,分子离子瓦解得越完全,但是,剥离气体越厚会造成传输效率的降低同时也会造成散射本底增加,特别对能量仅为0.2 MeV的AMS系统。因此,14C测量时需要选取合适的剥离气体厚度。图2为利用14C空白样品测量得到的剥离气体的气压(与剥离气体厚度成正比)与本底水平和传输效率的关系。结果显示,随着剥离气体气压也就是剥离气体厚度的增高,分子本底指数衰减,同时传输效率也在缓慢地降低, 当剥离气体的气压达到1.66×10–2 Pa时本底进入一平台,此时对应的本底为14C/12C(原子数比)= 6×10–15。当继续增高剥离气体的气压,本底水平又有所增加, 这主要是由于13C的散射本底增大产生的。综合考虑本底干扰、传输效率等因素,在14C测量时将剥离气体的气压设定在1.66×10–2 Pa。

      图  2  (在线彩图)剥离气体的气压与本底水平和传输效率的关系

      (3) 散射本底的排除

      前面实验显示,在剥离气压达到一定值后,本底不随剥离气压的升高而降低,此时本底主要来源于13CH分子离子离解后13C散射造成的。为了验证此论点,利用系列空白样品进行了实验测定。具体方法是利用分析磁铁像点附近的一个偏置法拉第筒测量由13CH瓦解后的13C+(H)束流,同时利用探测器测量本底计数率,检验它们之间的关系。图3为测量结果,可以看出本底计数率和13C+(H)束流有很好的线性关系。根据它们之间的关系,本工作建立了利用13C(H)束流进行散射本底扣除的方法以进一步排除本底。这种本底排除技术在瑞士ETH的AMS实验室的MICADAS系统上也得到应用[7]

      图  3  (在线彩图)13CH分子离子瓦解后的13C+平均束流与本底计数率的关系

    • 通过以上实验研究,最终确定14C的测量条件为:从离子源引出碳负离子,总的加速能量为0.2 MeV,采用氦气作为剥离气体,剥离气体的气压设定为1.66×10–2 Pa,剥离后选取1+电荷态。在此条件下分别利用标准样品和空白样品对AMS系统的性能进行了测定。

      (1) AMS系统的测量准确度

      为了检验AMS系统的测量准确度,利用5个14C/12C原子数比值已知的标准样品进行了测定,每个样品测量的统计误差在0.5%到1.0%之间。5个标准样品分别为OXI (104.51 pMC)、OXII (134.07 pMC)、ANU (150.61 pMC)、IAEA-C7 (49.53 pMC)和IAEA-C5 (23.05 pMC)。其中pMC代表现代碳的百分含量。测量结果如图4所示。结果显示,5个样品的测量结果与标称值在不确定度范围内均符合。结果验证了研制的AMS系统测量数据的可靠性。

      图  4  (在线彩图)系列样品测量值与标称值之间的关系

      (2) 测量灵敏度

      为了检验系统的测量灵敏度,实验利用空白样品进行了测定,实验分别对4种不同来源空白样品进行了测定,并采用2.2节建立的散射本底排除方法,实验得到4个空白样品14C/12C 的原子数比值分别为2.8×10–15,1.0×10–15,6.8×10–16和2.9×10–15。结果显示,单极AMS系统对14C的测量灵敏度总体可达到14C/12C~2×10–15

    • 随着AMS应用的不断拓展,利用AMS测量裂变核素及锕系核素等的需求也越来越多。为了开展重核素(129I、锕系核素等)的AMS测量,原子能院研发了端电压为0.3 MV的串列型AMS测量系统,整个系统的占地面积为8.6 m×5.5 m。

    • 0.3 MV 串列AMS的结构如图5所示,它主要包括:(1) 处于50 kV高压台架上多靶强流负离子源;(2) 偏转半径750 mm和偏转角度为90°的球面型双聚焦静电分析器;(3)偏转半径750 mm和偏转角度为90°的双聚焦注入磁铁;(4)处于300 kV高压台架上的剥离器,气体剥离器的结构和单极型AMS系统相同,剥离器两端通过加速管分别与注入磁铁和分析磁铁联接;(5) 偏转半径1 000 mm偏转角度为90°的双聚焦分析磁铁;(6)偏转半径1 000 mm偏转角度为90°的球面型双聚焦静电分析器;(7) 探测器为气体电离室,同时为了降低重离子进入探测器时的能量损失,采用50 nm的Si3N4膜作为气体电离室的入射窗。在装置建立后,开展了129I测量技术研究。

      图  5  (在线彩图)0.3 MV串列型AMS系统结构示意图

    • 129I是长寿命放射性裂变核素,半衰期为15.7 Ma。在自然界中它主要是通过宇宙射线与Xe发生核反应产生。但随着人类核活动的增加,大量的人造129I释放到环境中,使得环境中129I/127I(原子数比)的含量从10–12水平提升到10–9129I在环境方面有广泛应用,可应用于核设施周围环境中129I的分布研究[10]、核事故剂量回溯研究[11]、环境研究和海洋示踪等[12]。目前对于129I测量最有效的技术就是加速器质谱技术。

      (1) 127I的AMS系统传输

      为了实现129I的测量,首先需要利用其稳定同位素127I进行实验条件研究。将AgI与银粉按1:1质量比混合后压入钛锥,从离子源引出碘的负离子,经过静电分析器进行能量选择后利用注入磁铁将127I 注入到加速器;加速器的端电压设定为300 kV,127I 经前半部分加速管加速后进入气体剥离器,在气体剥离器将127I负离子剥离成不同电荷态的正离子。剥离气体采用氦气(氦气作为剥离气体是实现低能量重核素测量的关键),经剥离后的多电荷态正离子再经后半部分加速管进行加速,经分析磁铁选择后对不同电荷态的127I束流进行测量。

      为了实现高效传输,实验开展了不同电荷态的剥离几率以及剥离几率与剥离气体厚度的关系研究。图6图7分别为剥离后127I电荷态为3+和2+时剥离几率与剥离气体厚度的关系。结果显示,在剥离气压达到9×10–3 Pa时2+和3+的剥离几率趋于最大值。此时127I2+127I3+的剥离几率分别为74%和21%。

      图  6  (在线彩图)127I剥离后电荷态为3+的剥离几率与气体厚度的关系

      图  7  (在线彩图)127I剥离后电荷态为2+的剥离几率与气体厚度的关系

      (2) 129I的AMS测量

      由于129Xe不能形成稳定负离子,在AMS测量时是从离子源引出负离子,从而有效排除了129I测量时的稳定同量异位素的129Xe干扰。对于同位素本底则通过AMS系统的高质量分辨将其排除,因此排除分子本底和伴随粒子干扰是实现小型化AMS对129I高灵敏测量的关键。

      1) 剥离后离子电荷态选取

      前面实验显示,127I 经氦气剥离后电荷态为2+和3+的剥离几率较高。虽然选取3+电荷态可利用库仑爆炸有效排除分子离子(如127IHH)干扰,但选取3+电荷态最主要的问题是存在较强的伴随离子。这是因为129I3+的质荷比为M/q=43,为正整数,此时,43Ca1+86Ca2+就和129I3+具有相同电刚度E/q和磁刚度度$\sqrt {ME} /q$(E为离子能量,q为离子电荷态,M为离子质量),这些离子会伴随129I3+进入探测器。虽然这些离子由于能量不同可以利用探测器可将其分开(图8),但是在伴随离子计数率高的情况下,由于叠加效应会对129I的测量产生干扰。而选择2+电荷态不仅剥离效率高,同时129I2+的质荷比为64.5,不是正整数,此时就可有效避免伴随离子。图9为测量129I2+时的能谱图,虽然测量谱中也有少量65Cu+离子,但相对于3+测量时的伴随离子数明显降低。综上,在利用0.3 MV的AMS系统测量129I测量时选取2+电荷态。

      图  8  (在线彩图)129I3+的测量能谱

      图  9  (在线彩图)129I2+的测量能谱

      2) 分子离子排除方法研究

      129I测量时选取2+电荷态时存在着分子离子(127IHH2+)干扰,同样是采用气体剥离方法将分子离子瓦解,也就是通过设定合适的剥离气体厚度实现分子离子的排除。实验采用129I/127I=2×10–13的样品进行测量。图10为实验测量得到的129I本底计数率随剥离气体厚度的关系。测量结果显示,在剥离气体厚度较薄时,129I/127I原子数比值为10–11,这是分子离子(127IHH2+)没有完全瓦解造成的本底,随着剥离气体气压的升高,本底计数指数下降,当气压升高到7.5×10–3 Pa后,129I/127I 比值偏离指数衰变线,这是由于样品中固有的129I贡献开始显现,但根据分子离子指数衰减的趋势可以得出,在气压达到1.15×10–2 Pa时,分子离子基本完全瓦解,它的贡献小于1×10–14(129I/127I)。由于目前自然界样品中129I/127I的比值基本都在1×10–13以上,因此在将剥离气压设定到1.15×10–2Pa时可满足129I测量需要。

      图  10  (在线彩图)129I测量时分子本底随剥离气体厚度的关系

      3) 129I的AMS测量

      为了检验AMS系统对129I的测量精度,实验利用129I/127I=4.7×10–12样品进行测定。AMS通常是测定痕量的长寿命放射性核素与其稳定同位素的比值,在利用探测器测量129I的同时利用注入磁铁的偏置法拉第筒测量127I的束流强度,然后计算129I与127I的比值。结果显示10次测量的平均值的相对偏差为0.3%,而10次测量129I计数总的统计不确定度为0.4%。说明不确定度主要来源于统计不确定度,表明建立的小型AMS系统对于129I的测量精度可达到0.4%。

      为了检验系统测量准确性,实验利用4个129I/127I含量已知的样品进行了测定,测定的结果示于图11。测量结果和标称值在误差范围内符合得很好,同时也表明129I测量时的本底贡献129I/127I<1×10–13

      图  11  (在线彩图)129I/127I样品的测量结果与标称值的关系

    • 中国原子能科学研究院成功研制了2台有特色的小型化加速器质谱装置,结果显示小型化AMS系统在传输效率、测量精度和分析灵敏度方面均能满足AMS测量需求。基于0.2 MV单极型AMS装置实现了14C的高效与高灵敏测定,此系统具有结构简单,操作简便等优势,下一步将开展14C的广泛应用研究;此外,基于此装置也将开展氚的测量技术研究,拓展单极型AMS装置测量核素范围和应用领域。建立的0.3 MV串列型AMS装置成功实现了129I的高灵敏测定。此装置具有重核素传输效率高、质量分辨高的特点,非常适合重核素的测定。接下来基于此装置将开展裂变核素及锕系核素的分析技术研究,充分发挥此装置的优势,实现多核素的高灵敏测定及其在环境、核物理等领域的广泛应用。

      目前,中国原子能科学研究院AMS团队具有装置研发、分析技术和应用研究系列化技术能力,接下来研究团队将聚焦以下两方面进行研究:一是基于已有的AMS装置开展更多核素的测量技术和应用技术研究;二是研制更加紧凑、自动化的高性能AMS装置,实现AMS装置国产化。

参考文献 (12)

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