Kiirendi massispektromeetria
Areng
Tuumafüüsikas kasutatavaid osakeste kiirendeid võib vaadelda pigem moonutatud kujuga massispektromeetritena, kuid kolm peamist elementi - iooniallikas, analüsaator ja detektor - on alati olemas. Ameerika Ühendriikide LW Alvarez ja Robert Cornog kasutasid kiirendit massispektromeetrina 1939. aastal tsüklotroni kasutamisel, et näidata, et heelium-3 (3 He) on stabiilsem kui vesinik-3 (3)H), tuumafüüsika oluline küsimus sel ajal. Samuti näitasid nad, et heelium-3 oli loodusliku heeliumi koostisosa. Nende meetod oli sama, mida kirjeldati ülalpool omegatrooni puhul, välja arvatud see, et kasutati täissuuruses tsüklotroni ja see eristas kahte isotoopi hõlpsalt. Meetodit ei kasutatud enam peaaegu 40 aastat; kuid see on leidnud kasutamist kosmogeensete isotoopide, Maa peal kosmiliste kiirte tekitatud radioisotoopide või planeediobjektide mõõtmisel. Need isotoobid on erakordselt haruldased, nende arvukus on umbes üks miljon miljon protsenti vastavast maapealsest elemendist, mis on isotoopse suhe kaugelt üle tavaliste massispektromeetrite võimaluste. Kui kosmogeense isotoobi poolestusaeg on suhteliselt lühike, näiteks berüllium-7 (7 Be; 53 päeva) või süsinik-14 (14 C; 5730 aastat), saab selle kontsentratsiooni proovis määrata radioaktiivsete loenduste abil; kuid kui poolväärtusaeg on pikk, näiteks berüllium-10 (10 Be; 1,5 miljonit aastat) või kloor-36 (36 Cl; 0,3 miljonit aastat), on selline kulg ebaefektiivne. Suure suure energiatarbimisega kiirendi massispektromeetri eeliseks on detektori suur selektiivsus, mis tuleneb ioonidest, mis annavad 1000 korda rohkem energiat kui ükski varem saadav masin suudaks pakkuda. Tavapärastel massispektromeetritel on keeruline mõõta arvutusi, mis on väiksemad kui ükstuhat tuhat võrdlusisotoopi, sest segavad ioonid on hajutatud analüsaatori kohta, kus soovitakse otsida madala arvukusega isotoopi. Äärmiselt kõrge vaakumi ja hajumisevastased ettevaatusabinõud võivad seda parandada vajaliku 10-kordse, kuid mitte 100-miljonise teguriga. Kiirendi kannatab selle defekti all veelgi ja kosmogeense isotoobi eeldatavas analüsaatori kohas leitakse suures koguses "prügi" ioone. Teatud tüüpi tuumaosakeste detektorite võime tuvastada ühemõtteliselt asjakohane ioon võimaldab kiirendi massispektromeetril sellest puudusest üle saada ja toimida võimsa analüütilise tööriistana.
Tandemaatilise elektrostaatilise kiirendi töö
Tandem-elektrostaatiline kiirendaja (vt osakeste kiirendi: Van de Graaffi generaatorid) tõrjus selleks kiiresti kõik muud masinad, peamiselt seetõttu, et selle iooniallikas, ülalkirjeldatud tseesiumipritsi allikas, asub maapinna potentsiaali lähedal ja on proovide vahetamiseks hõlpsasti ligipääsetav. Ioonid peavad olema negatiivsed, kuid see ei osuta puuduseks, kuna neid toodetakse lihtsalt ja tõhusalt. Enne kõrgepingetorusse sisenemist analüüsitakse ioone massiliselt nii, et kiirendisse siseneb ainult kosmogeense isotoobi massi asukohas tekkiv kiir; intensiivset võrdlusisotoobi kiirgust mõõdetakse selles kohas sageli ilma gaasipedaali sisenemata. Kosmogeenne isotoobikiir tõmbab masina kõrgepinge klemmi, kus toimub kokkupõrge gaasi või õhukese süsinikfooliumi või mõlemaga, eemaldades mitmesuguse arvu elektrone, jättes subjekti isotoobi mitme positiivse laengu oleku jaotusega, mida positiivselt laetud terminal. Kõik molekulaarsed ioonid purustatakse. Seejärel väljub tekkiv kiir läbi analüüsivate väljade, mille põhiosa on kõrge dispersioonmagnet. Analüsaatorist lahkudes siseneb kiir detektorisse. Iga iooni uuritakse eraldi viisil, mis võimaldab selle identiteedi kindlaks teha. Kõige tavalisem viis selleks on kahe osakesedetektori kombinatsiooni kasutamine: üks detektor mõõdab kiirust, millega osake kaotab teatud pikkusega aine läbimisel energiat, teine mõõdab samal ajal osakese koguenergiat. Loendeid hoitakse kahemõõtmelise arvutimassiivi prügikastides, mille koordinaadid antakse kahe detektori signaalide amplituudiga. Arvukad „prügikasti” ioonid võtavad kahe detektori väärtused, mis täidavad andmemassiivi piirkondi, kuid ei kattu üldiselt täpselt määratletud piirkonna hõivatud piirkonnaga. Igat tüüpi isotoopide jaoks on vaja spetsiaalselt loodud detektorisüsteemi koos erinevate täiendavate analüüsiväljadega ja mõnel juhul isegi lennuaja tehnika kasutamist. Kiirendi massispektromeetri skeem on näidatud joonisel 8.
