《宇宙成因核素及其AMS探测与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宇宙成因核素及其AMS探测与应用（5页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、宇宙成因核素及其AMS探测与应用（罗齐彬 核科学与技术2013082712）一、宇宙成因核素定义暴露在宇宙射线照射下的物体（陨石、宇宙尘、无大气层的天体表面物质、地球 大气层等）在行星际空间运行时，在物体内部产生各种类型的高能核反应（主要是散 裂反应）和低能核反应（主要是中子俘获反应），形成放射性和稳定的核素，称为宇 宙线生成核素，简称宇宙成因核素。宇宙成因核素的产额及其分布，与宇宙线的组成、 通量、能谱及其时空变化有关，也与受照射物体的化学组成、大小、儿何形态、运行 轨道及取样深度有关。宇宙成因核素是研究历史上宇宙线的组成、通量、能谱的时空 变化，估算物体在行星际空间的运行轨道，测定陨石的宇
2、宙暴露年龄和落地年龄，及 计算陨石通过大气层的烧蚀量的重要基础。二、宇宙成因核素分类及其测量宇宙成因核素大气层作用成因核素以及地表层作用成因核素两大类，宇宙射线与 物体作用生成大约100多种放射性核稳定的核素，其中比较典型的核素有10Be?6Al. 38Ck 14C 21Ne 129I 151Sm. 182Hf 99Tc. 41 Ca 等。10Be 26A1. 14C “Ne 等儿种宇 宙成因核素已经较成熟用于地质、考古等领域中的年代测定。由于宇宙成因核素基本上都属于自然界中丰度极低的长寿命放射性核素，其测量 属于低本底测量。传统的常规衰变计数法是通过积累测量放射性核素衰变产生的次级 粒子数推
3、算其丰度比，这种方法对于测量长寿命放射性核素时需要样品量大，并且测 量时间长，具有很大的局限性。1970年有人提出采用直接计数方法的建议，随后尝 试了在传统的低能质谱计上进行了 14C测量，但最终因干扰本底太高而失败（干扰本 底系指由被测核素以外的他种离子所引起的本底，包括分子干扰、同量异位素干扰、 强峰拖尾及散射干扰）。上个世纪70年代末发展起了一种基于粒子加速器的现代核分析技术一一加速器 质谱技术（AMS）。它克服了传统计数法存在的分子本底和同量异位素本底干扰的限 制，因此具有极其高的同位素丰度灵敏度（目前AMS丰度灵敏度最高为则达到了 1016）o同时，AMS还具有样品用量少（ng量级）
4、和测量时间短等优点。AMS是目 前测量宇宙成因核素的一种强有力和最普遍的测量手段。三、加速器质谱仪（AMS）测量原理加速器质谱仪一般由离子源、注入系统、加速器、高能分析系统、探测器以及数据釆集系统等组成，如图3.1和图3.2所示。碳样吊铠儀射负离子源图3.1瑞士（苏黎世）典型AMS配置示意图ibFC12FC tF 矽MQt EQ FCGL WISMQ PASLSTFCESD弟4紋5orST3AM AP BMBPM01 E!EQ ESD FC分析晞铁債转徳铁 東流剖面仪静电四极透傥 静电侑转器 法投第杯间隙去欖 注入燃砂 關子源预加邃 狭缝 导向器IS卿 EL2ST2PA2 SL2 IM90*图
5、3.2北京大学典型AMS系统示意图离子源大多釆用艳溅射负离子源，预分析磁铁应有足够高的分辨率以便有效地抑 制高丰度同位素的强峰拖尾干扰。AMS中使用最普遍的是Cs溅射负离子源，这种 离子源具有引出束流强度大、束流发散度小、稳定性好、样品间相互干扰小等优点。 样品原子或分子在Cs正离子的轰击下溅射出表面，其中一部分形成负离子被电场引 出。对于测量同位素丰度比相差较大的未知样品与标准來说，大的离子束流和小的离 子源记忆效应是必须的。注入系统一般由磁分析器、交替注入系统和预加速管组成，磁分析器是对从离子 源引出的负离子流进行初步质量分析和选择，然后通过预加速将选定质量的离子加速 到100400 Ke
6、V,再注入加速器中进行继续加速。有的AMS为了提高注入系统的分 析能力，在磁分析器前加上一个静电分析器，这样有效地抑制了相邻强峰拖尾干扰。 AMS所测量的通常是放射性核素与其稳定核素的比值，因此需要通过交替注入系统 将两种或三种同位素交替注入到加速器中oAMS注入系统一般采用大半径（R50cm） 的90双聚焦磁铁，要求具有很强的抑制相邻强峰拖尾能力。大多数AMS加速器都采用串列加速器，但也有少数实验室使用回旋加速器或直 线加速器，使用串列加速器的好处在于其剥离过程可有效地消除分子干扰。串列加速 电压在1-14MV范围内，被注入到加速器中的负离子，在加速电场中首先进行第一 级加速，当离子加速运行
7、到头部端电压处，由膜（或气体）剥离器剥去外层电子而变 为正离子（此时分子离子被瓦解），随即进行第二级加速而得到较高能量的正离子。 中国原子能科学研究院的串列加速器是一台原美国高压工程公司生产的HI-13串列 加速器（端电压可达13 MV）,如图3.3所示。112众聚儼僞转*6铁列加速器5法拉第杯11挟缝区因因二级透锤因因因三级途做X二口錚向器分析感铁.图3.3中国原子能科学研究院的AMS系统高能分析系统用于对经加速器加速后的正离子，包括多种元素、多种电荷态q（多种能量E）的离子进行进行选择性分析，选定待测离子。AMS高能分析器主要有以 下3种类型:（1）磁分析器，与注入器的磁分析器相同，它利用
8、磁场对带电粒子偏转作用实现对3 高能带电粒子的动量进行分析，从而选定EM/q2值。（2）静电分析器，利用带电粒子在静电场中受力的原理，实现对离子的能量分析， 从而选定E/q值。（3）速度选择器，利用一组相互正交的静磁场与静电场对带电粒子同时作用，实现 对离子的速度进行分析，从而选定E/M值。上述分析器中任意两种的组合都可以唯 一选定离子质量M与电荷q的比值M/q探测器，一般采用一个磁分析器和一个静电 分析器组成。AMS对待测核素进行计数时所采用的探测器多釆用气体探测器，其他还包括固 体硅探测器以及飞行时间探测器等，粒子探测器主要分为同位素鉴别与同量异位素鉴 别两类。探测器利用具有一定能量的离子
9、通过介质时产生的电离信号來鉴别和记录离 子的，由离子计数和法拉第杯测得的稳定同位素束强便可得到样品中同位素丰度比。四、宇宙成因核素应用测年法4.1单宇生核素测年法利用单宇生核素进行年份测定最典型也是运用最为广泛的即是14c测年法。在高 层大气中，由宇宙线产生的中子和核爆炸产生的中子轰击N,使它转变为号N + Jn t ”C + H14C在大气层中和6结合成14CO2o由于宇宙线的强度稳定不变，大气中】七0? 的浓度也不会改变。在地球上活着的生物体内，由于新陈代谢作用，吸收和放出二氧 化碳的过程不断进行，整个食物链中生物体内的含量保持不变。但当生物死后，失 去新陈代谢作用，山C就不能通过碳的循环
10、进行置换进入生物体内。留在生物体内的 C不断发生衰变，并按固定的半衰期（5715a）的衰变速度减少：吃C t 1 扌N + _$p利用加速器质谱仪，根据不同粒子的拐弯半径不同可以容易地捕捉到，通过测定 埋藏地下或保存放置的生物体中的14C和12C的比例，按14C已知的固定衰变速率 进行计算，即可测出该生物体或文物的年代。Co 0.693f = 111 C-7 5715式中，t为所测定年代（距今）；Co为未衰变时的含量；C为衰变后MC的含量。4.2双宇生核素测年法Gianger et al. （1997）首先建立了埋藏测年方法，其基本原理是：地表 暴露的石英矿物受到宇宙射线轰击，会产生AI和】B
11、e两种宇生核素，其产率是固 定的比例。曾在地表暴露的样品被埋藏之后，不再受到宇宙射线照射，由于26AI和 We的半衰期不同（分别为0.72Ma和1.386 0.016Ma）,其26AI/10Be值就会随着埋 藏时间发生变化。测量样品所含石英中26AI/10Be值，就可推知样品被埋藏的年代， 而不依赖过去核素生产率來获得年代数据。这种方法适用测年范围约三十万到五百万 年，其应用也有一定的前提条件，最理想的条件是：（1）样品曾经在地表暴露，并且积累了一定数量的宇生核素量（一般10ka）, 能够满足AMS的检测；（2）后期样品被快速埋藏（相对于核素的平均寿命而言）；（3）埋藏要达到一定深度，足以遮蔽
12、宇宙射线后期的照射（一般10m）；（4）沉积物在埋藏前经历的暴露过程简单，即没有反复暴露和埋藏过程。4.3三宇生核素测年法目前，AI和】Ee是测试埋藏年龄最常用的核素对，近期也有学者在探讨利用 三种核素共至跟多核素的新方法來提高年代数据的精确性，将埋藏年代的适用范围推 广。在这方面的研究中，2009年Balco et al.在美国Missouri的河流阶地上采集砾石样 品和沉积物样品，在Pendleton附近釆集了在冰债物下面埋藏了很长时间的基岩样品, 利用26AI-10Be-21Ne三种核素测年，证实了采用三核素进行埋藏测年法的可行性与适 用性。利用三核素测年的应用条件和核素对的适用条件基本相同，但是更为苛刻，需 要三核素同时一被埋藏并且都会随着时间的变化进行衰减。在这种前提下对三者的浓 度进行测试，便可以测得样品的埋藏年代。三核素的应用对于提高测年方法的准确性 和适用性有很重要的意义。五、参考文献1刘克新.加速器质谱及应用几 现代仪器,2003, 5： 1-3.2姜山，董克君，何明.超灵敏加速器质谱技术进展及应用几岩矿测试，2012, 31 （1）： 8-11.3张亨.14C测定年代技术及其应用J化学世界，2000, 4： 223-224.
宇宙成因核素及其AMS探测与应用
