Spektrometri massa akselerator
Pengembangan
Akselerator partikel yang digunakan dalam fisika nuklir dapat dilihat sebagai spektrometer massa dari bentuk yang agak terdistorsi, tetapi tiga elemen utama — sumber ion, penganalisa, dan detektor — selalu ada. LW Alvarez dan Robert Cornog dari Amerika Serikat pertama kali menggunakan akselerator sebagai spektrometer massa pada tahun 1939 ketika mereka menggunakan cyclotron untuk menunjukkan bahwa helium-3 (3 He) lebih stabil daripada hidrogen-3 (3H), pertanyaan penting dalam fisika nuklir pada saat itu. Mereka juga menunjukkan bahwa helium-3 adalah unsur utama dari helium alami. Metode mereka sama dengan yang dijelaskan di atas untuk omegatron kecuali bahwa siklotron ukuran penuh digunakan, dan mudah membedakan kedua isotop. Metode ini tidak digunakan lagi selama hampir 40 tahun; Namun, ia telah menemukan aplikasi dalam mengukur isotop kosmogenik, radioisotop yang dihasilkan oleh insiden sinar kosmik di Bumi atau benda-benda planet. Isotop ini sangat langka, memiliki kelimpahan dalam urutan satu juta juta elemen terestrial yang sesuai, yang merupakan rasio isotop jauh melampaui kemampuan spektrometer massa normal. Jika paruh isotop kosmogenik relatif pendek, seperti berilium-7 (7 Be; 53 hari) atau karbon-14 (14 C; 5,730 tahun), konsentrasinya dalam sampel dapat ditentukan dengan penghitungan radioaktif; tetapi jika waktu paruh panjang, seperti berilium-10 (10 Be; 1,5 juta tahun) atau klorin-36 (36 Cl; 0,3 juta tahun), jalur seperti itu tidak efektif. Keuntungan spektrometer massa akselerator besar dan berenergi tinggi adalah selektivitas detektor yang hebat yang dihasilkan dari ion yang memiliki 1.000 kali lebih banyak energi daripada yang dapat disediakan oleh mesin mana pun sebelumnya. Spektrometer massa konvensional mengalami kesulitan mengukur kelimpahan kurang dari seratus ribu isotop referensi, karena ion yang mengganggu tersebar ke lokasi penganalisa di mana isotop kelimpahan rendah harus dicari. Ekstrim vakum tinggi dan tindakan pencegahan anti semburan dapat meningkatkan ini dengan faktor 10 tetapi bukan faktor 100 juta yang diperlukan. Akselerator menderita cacat ini hingga tingkat yang lebih besar, dan sejumlah besar ion "sampah" ditemukan di lokasi penganalisa yang diharapkan dari isotop kosmogenik. Kemampuan beberapa jenis pendeteksi partikel nuklir untuk mengidentifikasi ion yang relevan secara jelas memungkinkan spektrometer massa akselerator untuk mengatasi kekurangan ini dan berfungsi sebagai alat analitik yang kuat.
Pengoperasian akselerator elektrostatik tandem
Akselerator elektrostatik tandem (lihat akselerator partikel: generator Van de Graaff) dengan cepat memindahkan semua mesin lain untuk tujuan ini, terutama karena sumber ionnya, sumber spesium cesium yang dijelaskan di atas, terletak di dekat tanah potensial dan mudah diakses untuk mengubah sampel. Ion-ion harus negatif, tetapi ini tidak terbukti cacat karena mudah diproduksi dan efisien. Sebelum memasuki tabung tegangan tinggi, ion-ion dianalisis secara massal sehingga hanya berkas yang muncul di lokasi massa isotop kosmogenik yang memasuki akselerator; sorotan isotop referensi intens sering diukur di lokasi ini tanpa memasuki akselerator sama sekali. Sinar isotop kosmogenik tertarik ke terminal tegangan tinggi dari mesin di mana tabrakan dengan gas atau foil karbon tipis atau keduanya memotong berbagai jumlah elektron, sehingga meninggalkan isotop subjek dengan distribusi beberapa kondisi muatan positif yang ditolak oleh terminal bermuatan positif. Semua ion molekul terpecah. Sinar yang muncul kemudian melewati bidang analisis dimana magnet dispersi tinggi adalah bagian utama. Setelah meninggalkan alat analisa, sinar memasuki detektor. Setiap ion diperiksa secara individual dengan cara yang memungkinkan identitasnya dibentuk. Cara paling umum untuk melakukan ini adalah dengan menggunakan kombinasi dari dua pendeteksi partikel: satu detektor mengukur tingkat di mana partikel kehilangan energi ketika melewati panjang materi tertentu, sementara yang lain secara bersamaan mengukur total energi partikel. Hitungan disimpan dalam sampah dari array komputer dua dimensi, koordinat yang diberikan oleh amplitudo sinyal dari dua detektor. Banyak ion "sampah" mengambil nilai dari dua detektor yang mengisi daerah array data tetapi umumnya tidak tumpang tindih dengan wilayah yang ditentukan dengan baik yang ditempati oleh ion subjek. Setiap jenis isotop memerlukan sistem detektor yang dirancang khusus dengan berbagai bidang analisis tambahan dan, dalam beberapa kasus, bahkan penggunaan teknik waktu terbang. Diagram skematis dari spektrometer massa akselerator ditunjukkan pada Gambar 8.
