长寿命放射性惰性气体同位素检测方法研究进展
发布时间：2021-12-18 15:40
长寿命放射性惰性气体同位素(如85Kr、81Kr和39Ar)物理和化学性质稳定,可以长期稳定地存在于大气中,是理想的示踪同位素,在地球物理与环境科学领域具有广泛应用。惰性气体元素大气含量低,其放射性同位素丰度极低,尚无成熟、高效的定量测量方法,如何对其进行高效、高灵敏检测成为一个亟待解决的技术难题。以激光冷却和囚禁技术为基础的原子阱痕量检测技术,具有单原子级别探测灵敏度、同位素级别分辨率和零本底探测的独特优势,可对长寿命放射性惰性气体同位素进行快速、高效检测。介绍了低辐射计数法、加速器质谱法和原子阱痕量检测技术三种痕量同位素检测方法,重点分析了原子阱痕量检测流程和基本原理,并结合应用前景论述了原子阱痕量检测技术研究现状。
【文章来源】：兵器装备工程学报. 2020,41(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
低辐射计数法装置结构示意图
质谱法(Mass Spectrometry)是利用电磁场将离子(带电荷的原子和分子)按照荷质比分离检测的方法。质谱法工作原理如图2所示，首先将待测样品电离，产生各种荷质比不同的离子，利用不同荷质比离子在静电场和磁场中作用力不同进行分离，然后针对分离出的某一种离子，进行检测和分析。质谱法灵敏度相当高，可以检测同位素丰度高于10-9的放射性同位素样品，但是对于同位素丰度更低的放射性同位素样品，常规的质谱法难以奏效。并且，丰度更低的同位素样品往往存在着高丰度同量异位素的干扰，如14C检测中(14N)+6对(14C)+6存在干扰，同量异位素之间质量差小于10-5，荷质比极为接近，常规质谱法难以区分[15]。为了排除同量异位素带来的干扰，1977年Muller提出采用加速器分离14C和10Be的高丰度同量异位素[16]，随后McMaster大学和Rochester大学结合质谱法和串联加速器，分别完成了对14C的测量，形成了集加速器技术、质谱检测方法、粒子分辨和探测技术于一体的新型同位素检测方法，即加速器质谱方法。如图3所示，加速器质谱装置通常包括负离子源、低能注入与分析系统、加速器(常用串列加速器)、高能离子传输与分析系统、粒子探测器[17]。AMS检测可划分为以下5个阶段:
5)离子束流经高能分析后，与待测离子具有相同质荷比M/q的同量异位素仍不能排除，需要借助ΔE-E气体探测器或飞行时间探测器等高分辨率离子探测技术进一步区分。凭借高灵敏度和高分辨率的优势，AMS方法已经逐步取代LLC方法成为14C的标准检测方法，但AMS方法在惰性气体同位素检测上遇到了极大挑战。惰性气体原子是闭壳层组态原子，难以再得到电子形成负离子，常规的AMS检测手段无法对其进行分析。1997年，Collon团队对常规的AMS装置做了一些改进[18]，其结构如图4所示，采用超导回旋电子振荡器正离子源替代传统的负离子源，并选用了能量更高的回旋加速器(约4 Ge V)替代常用的串列加速器，利用改进后的AMS装置首次测量到20～40万年前的地下水样品中的81Kr同位素，总检测效率约10-5，年代测量精度为15%，共使用了16 t地下水(约0.5 m L标况下氪气)。Collon团队采用同样方法在美国阿贡国家实验室的线性加速器平台上对亚特兰大洋流水样品中的39Ar原子进行计数，得到39Ar的同位素丰度为8×10-16，其检测效率约10-3。此外，AMS方法对85Kr的检测方法与81Kr基本相同。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种用于氪原子的环形永磁体塞曼减速器[J]. 游翔宇,冯高平,王明东,饶伟,宋俊玲,王广宇,洪延姬. 红外与激光工程. 2019(05)
[2]射频放电方法产生亚稳态氪原子束流技术研究[J]. 游翔宇,冯高平,王明东,朱晓辉. 机电产品开发与创新. 2018(05)
[3]激光冷却获得高亮度的亚稳态惰性气体原子束和原子阱[J]. 程存峰,杨国民,蒋蔚,潘虎,孙羽,刘安雯,成国胜,胡水明. 物理学报. 2011(10)
[4]低水平γ射线测量中的本底问题[J]. 冯江平,陈羽,杨华龙. 核电子学与探测技术. 2009(03)
博士论文
[1]地下水溶解氪气分析用于放射性氪同位素测年[D]. 涂乐义.中国科学技术大学 2015
[2]原子阱痕量分析方法测量环境样品中的85Kr和81Kr[D]. 杨国民.中国科学技术大学 2015
[3]激光冷却原子阱方法检测痕量稀有气体同位素[D]. 程存峰.中国科学技术大学 2012
本文编号：3542696
【文章来源】：兵器装备工程学报. 2020,41(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
低辐射计数法装置结构示意图
质谱法(Mass Spectrometry)是利用电磁场将离子(带电荷的原子和分子)按照荷质比分离检测的方法。质谱法工作原理如图2所示，首先将待测样品电离，产生各种荷质比不同的离子，利用不同荷质比离子在静电场和磁场中作用力不同进行分离，然后针对分离出的某一种离子，进行检测和分析。质谱法灵敏度相当高，可以检测同位素丰度高于10-9的放射性同位素样品，但是对于同位素丰度更低的放射性同位素样品，常规的质谱法难以奏效。并且，丰度更低的同位素样品往往存在着高丰度同量异位素的干扰，如14C检测中(14N)+6对(14C)+6存在干扰，同量异位素之间质量差小于10-5，荷质比极为接近，常规质谱法难以区分[15]。为了排除同量异位素带来的干扰，1977年Muller提出采用加速器分离14C和10Be的高丰度同量异位素[16]，随后McMaster大学和Rochester大学结合质谱法和串联加速器，分别完成了对14C的测量，形成了集加速器技术、质谱检测方法、粒子分辨和探测技术于一体的新型同位素检测方法，即加速器质谱方法。如图3所示，加速器质谱装置通常包括负离子源、低能注入与分析系统、加速器(常用串列加速器)、高能离子传输与分析系统、粒子探测器[17]。AMS检测可划分为以下5个阶段:
5)离子束流经高能分析后，与待测离子具有相同质荷比M/q的同量异位素仍不能排除，需要借助ΔE-E气体探测器或飞行时间探测器等高分辨率离子探测技术进一步区分。凭借高灵敏度和高分辨率的优势，AMS方法已经逐步取代LLC方法成为14C的标准检测方法，但AMS方法在惰性气体同位素检测上遇到了极大挑战。惰性气体原子是闭壳层组态原子，难以再得到电子形成负离子，常规的AMS检测手段无法对其进行分析。1997年，Collon团队对常规的AMS装置做了一些改进[18]，其结构如图4所示，采用超导回旋电子振荡器正离子源替代传统的负离子源，并选用了能量更高的回旋加速器(约4 Ge V)替代常用的串列加速器，利用改进后的AMS装置首次测量到20～40万年前的地下水样品中的81Kr同位素，总检测效率约10-5，年代测量精度为15%，共使用了16 t地下水(约0.5 m L标况下氪气)。Collon团队采用同样方法在美国阿贡国家实验室的线性加速器平台上对亚特兰大洋流水样品中的39Ar原子进行计数，得到39Ar的同位素丰度为8×10-16，其检测效率约10-3。此外，AMS方法对85Kr的检测方法与81Kr基本相同。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种用于氪原子的环形永磁体塞曼减速器[J]. 游翔宇,冯高平,王明东,饶伟,宋俊玲,王广宇,洪延姬. 红外与激光工程. 2019(05)
[2]射频放电方法产生亚稳态氪原子束流技术研究[J]. 游翔宇,冯高平,王明东,朱晓辉. 机电产品开发与创新. 2018(05)
[3]激光冷却获得高亮度的亚稳态惰性气体原子束和原子阱[J]. 程存峰,杨国民,蒋蔚,潘虎,孙羽,刘安雯,成国胜,胡水明. 物理学报. 2011(10)
[4]低水平γ射线测量中的本底问题[J]. 冯江平,陈羽,杨华龙. 核电子学与探测技术. 2009(03)
博士论文
[1]地下水溶解氪气分析用于放射性氪同位素测年[D]. 涂乐义.中国科学技术大学 2015
[2]原子阱痕量分析方法测量环境样品中的85Kr和81Kr[D]. 杨国民.中国科学技术大学 2015
[3]激光冷却原子阱方法检测痕量稀有气体同位素[D]. 程存峰.中国科学技术大学 2012
本文编号：3542696
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3542696.html
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