Podstawy akceleratorowej spektrometrii mas. Techniki pomiarowe



Podobne dokumenty
SPEKTROMETRIA MAS GOLUS KATARZYNA FIZYKA TECHNICZNA SEM.VIII

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

Próżnia w badaniach materiałów

Theory Polish (Poland)

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. Seweryn Kowalski

SPEKTROMETRIA IRMS. (Isotope Ratio Mass Spectrometry) Pomiar stosunków izotopowych (R) pierwiastków lekkich (H, C, O, N, S)

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

Oddziaływanie cząstek z materią

Akceleratory (Å roda, 16 marzec 2005) - Dodał wtorek

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

Schemat ideowy spektrometru mas z podwójnym ogniskowaniem przedstawiono na rys. 1. Pierwsze ogniskowanie według energii jonów odbywa się w sektorze

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wiązka elektronów: produkcja i transport. Sławomir Wronka

dr inż. Zbigniew Szklarski

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Podstawy fizyki wykład 8

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

1.6. Ruch po okręgu. ω =

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Układ stabilizacji natężenia prądu termoemisji elektronowej i napięcia przyspieszającego elektrony zwłaszcza dla wysokich energii elektronów

Metody liniowe wysokonapięciowe przyśpieszania cząstek

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Metody liniowe wielkiej częstotliwości

Pole magnetyczne. Magnes wytwarza wektorowe pole magnetyczne we wszystkich punktach otaczającego go przestrzeni.

2. Metody, których podstawą są widma atomowe 32

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

Elektrostatyczna energia potencjalna U

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Elektrostatyka, część pierwsza

Spektrometria mas (1)

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Jak działają detektory. Julia Hoffman

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Badanie licznika Geigera- Mullera

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

Spektroskopia. Spotkanie pierwsze. Prowadzący: Dr Barbara Gil

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

J14. Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Pole elektromagnetyczne

Magnetyzm. Magnetyzm zdolność do przyciągania małych kawałków metalu. Bar Magnet. Magnes. Kompas N N. Iron filings. Biegun południowy.

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI WYKŁAD 2 ANALIZA ŚLADÓW

Oddziaływanie jonów z powierzchnią

Pracownia Jądrowa. dr Urszula Majewska. Spektrometria scyntylacyjna promieniowania γ.

Ruch cząstek naładowanych w polach elektrycznym i magnetycznym. Równania ruchu cząstek i ich rozwiązania. Ireneusz Mańkowski

II. KWANTY A ELEKTRONY

Przykładowe zadania/problemy egzaminacyjne. Wszystkie bezwymiarowe wartości liczbowe występujące w treści zadań podane są w jednostkach SI.

Elektrostatyczna energia potencjalna. Potencjał elektryczny

Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Doświadczenie nr 6 Pomiar energii promieniowania gamma metodą absorpcji elektronów komptonowskich.

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Łukowe platerowanie jonowe

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

2.2. Wiązki promieniowania jonizującego

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Odp.: F e /F g = 1 2,

Procesowy Spektrometr Masowy

Natężenie prądu elektrycznego

Szczegółowe kryteria oceniania z fizyki w gimnazjum kl. II

Obwód składający się z baterii (źródła siły elektromotorycznej ) oraz opornika. r opór wewnętrzny baterii R- opór opornika

Szkoła z przyszłością. Oddziaływanie cząstek β z polem magnetycznym

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Lekcja 40. Obraz graficzny pola elektrycznego.

ZASTOSOWANIA SPEKTROMETRII MAS W CHEMII ORGANICZNEJ I BIOCHEMII WYKŁAD I PODSTAWY SPEKTROMETRII MAS

Laboratorium z Krystalografii specjalizacja: Fizykochemia związków nieorganicznych

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego - wprowadzenie

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

5. (2 pkt) Uczeń miał za zadanie skonstruował zwojnicę do wytwarzania pola magnetycznego o wartości indukcji

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Pomiar indukcji pola magnetycznego w szczelinie elektromagnesu

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Ćwiczenie 57 Badanie absorpcji promieniowania α

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Frialit -Degussit Ceramika tlenkowa Komora próżniowa

Elektrostatyka. A. tyle samo B. będzie 2 razy mniejsza C. będzie 4 razy większa D. nie da się obliczyć bez znajomości odległości miedzy ładunkami

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Pole magnetyczne Wykład LO Zgorzelec

Transkrypt:

Podstawy akceleratorowej spektrometrii mas Techniki pomiarowe

Podstawy spektrometrii mas Spektrometria mas jest narzędziem znajdującym szerokie zastosowanie w badaniach fizycznych i chemicznych. Umożliwia analizę substancji poprzez wytworzenie z niej wiązki jonów, rozdzielenie jej ze względu na masy poszczególnych jonów oraz pomiar prądów jonowych. Wyznaczyć można w ten sposób między innymi względne koncentracje izotopów w danej substancji. Zasadniczymi elementami spektrometru masowego są: źródło jonów, układ analizujący oraz układ pomiarowy. W spektrometrii mas stosowane są źródła jonów dodatnich, wytwarzanych przy pomocy następujących metod: Jonizacji atomów lub cząsteczek za pomocą bombardowania elektronami; Jonizacji przy wykorzystaniu różnych typów wyładowania w gazie; Termicznej emisji jonów z powierzchni ciał stałych.

Najważniejszymi elementami źródeł jonów są: komora jonizacji, układ szczelin wyciągających jony z obszaru jonizacji (układ ekstrakcji), układ formujący jony w wiązkę (ogniskujący) oraz układ przyśpieszający jony do żądanej energii. Do analizy wiązki najczęściej wykorzystuje się jednorodne sektorowe pole magnetyczne, rzadziej radialne pole elektryczne lub kombinacje obu pól równocześnie. Jednorodne pole magnetyczne, ograniczone dwiema płaszczyznami przecinającymi się pod kątem φ m ma dwie podstawowe właściwości: ogniskuje rozbieżne monoenergetyczne wiązki zawierające jony tych samych mas oraz rozdziela wiązki jonów o różnych masach (Ryc. 1). Ryc. 1 Spektrometr mas z sektorowym polem magnetycznym ogniskujący kierunkowo w płaszczyźnie prostopadłej do pola magnetycznego (płaszczyzna rysunku). Z - źródło jonów, S o - szczelina źródła jonów, U - napięcie przyśpieszające jony, φ m - kąt rozwarcia pola magnetycznego, r m - promień krzywizny toru, S k - szczelina kolektora, K kolektor.

Na cząstkę naładowaną o ładunku q poruszającą się z prędkością v w polu magnetycznym o indukcji B działa siła Lorentza: F L = q(v x B), powodująca zakrzywienie toru cząstki. Przyrównując tą siłę do siły dośrodkowej i wykorzystując związek qu = mv 2 /2 otrzymujemy podstawowy wzór spektrometrii mas: m q = r 2U Zakładając, że wielkości B i U są znane, to przy znanym ładunku jonów w spektrometrze mas można wyznaczać masy jonów. (Ryc. 2). 2 m B 2 Ryc. 2 Kształt wiązki jonów wytworzonej w źródle z jonizującą wiązką elektronową oraz zasada działania spektrometru mas z sektorowym polem magnetycznym. I - wiązka jonowa, e - wiązka elektronów.

Pomiar natężeń prądów jonowych przeprowadza się najczęściej przy pomocy puszek Faradaya dla dużych natężeń tych prądów. Wielkością decydującą o zakresie stosowania danego spektrometru masowego jest jego zdolność rozdzielcza definiowana jako: R = M M gdzie M i M+ΔM oznaczają dwie sąsiednie możliwe do rozdzielenia masy wyrażone w jednostkach masy atomowej. Zdolność rozdzielcza spektrometru wyrażona jest wzorem M R = r m M Elementem stosowanym do analizy wiązki jonów w akceleratorowej spektrometrii mas (AMS) równie często jak magnes jest analizator elektrostatyczny (oznaczany ESA z ang. electrostatic analyser). Składa się on z dwóch równoległych sferycznych lub cylindrycznych płyt przewodzących umieszczonych w odległości d, do których przyłożono różnicę potencjałów ΔV (Ryc. 3). Między płytami powstaje radialne pole elektryczne o natężeniu E, w którym na cząstkę o ładunku q działa siła: V F = q = d qe

Analizator elektrostatyczny filtruje cząstki o sztywności elektrycznej równej: 2 mv 2E Er e = = q q Cząstki te poruszają się po torach kołowych i przechodzą przez analizator, natomiast cząstki o innej sztywności elektrycznej są odchylane od łuku wyznaczonego promieniem re o Δy: 2 qel y 4E gdzie L oznacza długość płyt analizatora, i w ten sposób eliminowane z wiązki. Ryc. 3 Pole elektryczne i tor cząstki naładowanej wewnątrz analizatora elektrostatycznego.

Akceleratorowa spektrometria mas W roku 1977 D. E. Nelson oraz C. L. Bennett zaproponowali niezależnie od siebie zastosowanie akceleratora typu Van de Graaffa w układzie dwustopniowym do datowania radiowęglowego. Widmo otrzymane przez Nelsona (1977) dla próbki drewna pochodzącego z lat AD 1880-1890 przedstawia Ryc. 4. Ryc. 4 Widmo jonów zarejestrowane podczas jednej z pierwszych prób datowania 14 C przy pomocy akceleratorowej spektrometrii mas.

Przykładowy schemat spektrometru AMS przedstawia Ryc. 5 Ryc. 5 Schematyczny układ systemu AMS z dwoma źródłami jonów. Zl, Z2 - dwa źródła jonów. S1-S6 - soczewki kolimujące wiązkę jonów. ESA1 - analizator elektrostatyczny. WP - wstępne przyśpieszenie jonów w polu elektrycznym. M1 - magnes wstrzykujący. Akcelerator - akcelerator dwustopniowy (tandem). KP-, KP+ - kanały przyśpieszenia jonów odpowiednio ujemnych i dodatnich. TWN - terminal wysokiego napięcia. TP - tarcza gazowa lub węglowa do przeładowania jonów. M2 - magnes analizujący. ESA2 - analizator elektrostatyczny. D - detektor do identyfikacji i zliczania jonów.

ŹRÓDŁO JONÓW W źródle jonów z odpowiednio przygotowanej próbki wytwarzany jest strumień jonów ujemnych. Dla potrzeb datowania radiowęglowego badaną próbkę preparuje się do postaci grafitu. Wielkościami determinującymi pracę całego spektrometru AMS jest wydajność źródła, intensywność uzyskiwanych wiązek, mierzona jako prąd jonów uzyskiwany ze źródła, oraz emitancja źródła definiowana jako: 1/ ε = rθe 2 gdzie r oznacza promień wiązki (rzędu mm), θ - połowę kąta rozproszenia wiązki (rzędu mrad), a E - energię jonów. W technice AMS wykorzystywane są przede wszystkim źródła jonów ujemnych działające na zasadzie rozpylenia katodowego.

Schemat budowy źródeł jonów dwóch typów przedstawiony został na Ryc. 6. Jony ujemne opuszczające źródło posiadają energię rzędu 40-60 kev. Ryc. 6 Schemat geometrii dwóch typów źródeł jonów wykorzystywanych w spektrometrach AMS: (a) źródło z ogniskowanym strumieniem cezu, (b) źródło wysokiej wydajności.

Układ wstrzykujący Układ wstrzykujący tworzą źródła jonów oraz elementy transportujące i analizujące wiązkę przed akceleratorem. Wstępna analiza wiązki pozwala na eliminację jonów atomowych i molekularnych, które mogą stanowić znaczną część jonów wytworzonych w źródle. W spektrometrach AMS stosuje się dwie techniki wstrzykiwania jonów: jednoczesną i sekwencyjną. Ryc. 7 Przykładowy system wstrzykiwania jednoczesnego z użyciem czterech magnesów (M1-M4). SI, S2 - soczewki, PF - ruchome puszki Faradaya.

Drugim sposobem jest wstrzykiwanie sekwencyjne wiązek jonów o poszczególnych masach. Realizowane jest poprzez przykładanie szybkozmiennego napięcia do odpowiednio izolowanych fragmentów komory próżniowej magnesu wstrzykującego ( Ryc. 8). Ryc. 8 System sekwencyjnego wstrzykiwania jonów do akceleratora

Akcelerator dwustopniowy (tandem) Akceleratory dwustopniowe należą do klasy akceleratorów elektrostatycznych, w których cząstki są przyśpieszane w stałym polu elektrycznym. Aby uzyskać energie rzędu MeV niezbędne są napięcia rzędu MV, które bez odpowiedniej izolacji wywoływałyby wyładowania w powietrzu. Z tego względu akcelerator jest umieszczony w obudowie wypełnionej gazem izolującym. W systemach AMS stosuje się dwa typy akceleratorów, różniące się metodą wytwarzania wysokiego napięcia. Z generatorem van de Graffa, Z generatorem Cocrofta - Waltona, W generatorze Cocrofta sygnał napięcia o częstości radiowej jest stopniowo wzmacniany przez szereg kaskad złożonych z prostowników i kondensatorów.

Analiza wysokoenergetycznej wiązki Po wyjściu z akceleratora wiązka składa się z różnych cząstek - oprócz izotopów pierwiastka podlegającego pomiarowi znajdują się tam też fragmenty molekuł i inne jony o różnej energii i ładunku powstające w akceleratorze. Zanim wiązka jonów dotrze do detektora należy z niej usunąć jak największą ilość tych innych jonów, czego dokonuje się przy pomocy kombinacji analizatorów wiązki. Ryc. 9 Miejsca wartości m/q i E/q jonów transmitowanych przez różne typy analizatorów. Jon o wartościach m,e i q odpowiadających punktowi przecięcia będzie transmitowany przez wszystkie analizatory.

Detektory Ostatnim krokiem w analizie AMS jest pomiar dla każdego jonu co najmniej dwóch z poniższych wartości, co umożliwia ostateczne określenie masy i liczby atomowej: Energii całkowitej Ec; Strat energii na jednostkę drogi, która wzrasta wraz ze wzrostem energii do maksimum zwanego pikiem Bragga, a następnie dla większych energii (> 5-10 MeV) spada zgodnie z zależnością określoną wzorem Bethego-Blocha, którą w uproszczeniu można 2 zapisać jako: de kz =, 2 dx v gdzie k oznacza stałą, Z - liczbę atomową a v - prędkość jonu. Strat energii na jednostkę drogi w piku Bragga, które rosną w przybliżeniu liniowo z liczba atomową Z; Zasięgu będącego sumą (de/dx) -1 który, dla jonów o tej samej prędkości różni się w przybliżeniu jak 1/Z 2 ; Energii resztkowej jonu po przejściu przez ściśle określoną grubość absorbenta, zależnej od Z; Czasu przelotu między dwoma detektorami, który jest określony przez energię i masę jonu; Kąta lub pozycji toru jonu względem detektora w celu identyfikacji rozproszonych jonów.

W systemach AMS stosuje się różne typy detektorów, z których najpopularniejsze to wieloanodowe detektory jonizacyjne, detektory Bragga, detektory półprzewodnikowe i detektory czasu przelotu (Ryc. 10). Ryc. 10 Schematy detektorów stosowanych w technice AMS. (a) wieloanodowy gazowy detektor jonizacyjny; (b) detektor Bragga; (c) detektor czasu przelotu; (d) detektor półprzewodnikowy z barierą powierzchniową. Linią przerywaną zaznaczono siatki.