圖 1. 在 ILIAMS 設(shè)置中，初始陰離子束在波導(dǎo)中冷卻，同時(shí)由適當(dāng)波長(zhǎng)的同軸激光束照射，產(chǎn)生選擇性電光剝離。 圖片來(lái)源：Martin Martschini。

挑戰(zhàn)

環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天體物理學(xué)(隕石)、考古學(xué)和其他領(lǐng)域的分析研究都需要使用長(zhǎng)壽命放射性同位素(半衰期較長(zhǎng)的放射性核素)來(lái)確定樣品的年齡、來(lái)源和其他歷史印記。 其中關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)是同位素比： 同一元素的放射性同位素與穩(wěn)定同位素的濃度比。 應(yīng)用的是“碳測(cè)年”的碳-14 (14C)。遺憾的是，這些放射性標(biāo)記物通常濃度很低。 測(cè)量其低濃度的靈敏的方法稱為加速器質(zhì)譜法 (AMS)，有時(shí)可以達(dá)到 attomolar 級(jí)的靈敏度。 與基于輻射檢測(cè)的替代方法相比，它僅需要幾毫克的樣品。 然而，AMS 的一個(gè)主要局限性是存在多余的同量異位素，這些同量異位素會(huì)完全淹沒(méi)一些目標(biāo)核素的信號(hào)。

AMS 的過(guò)程存在多個(gè)步驟，先產(chǎn)生一個(gè)先帶負(fù)電，然后帶正電的加速(高達(dá)MeV)離子束，通過(guò)使用強(qiáng)磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)選擇出特定質(zhì)量/電荷 (m/q) 比的粒子。 在加速器里，樣品首先被轟擊，產(chǎn)生一束負(fù)離子(陰離子)，在經(jīng)過(guò) m/q 分析后，這些負(fù)離子被注入一個(gè)剝離器的設(shè)備中被轉(zhuǎn)化為正離子(陽(yáng)離子)，同時(shí)也排除了可能與目標(biāo)核素具有相同 m/q 比的小分子離子，例如，14C- 和 12CH2-。 然后，陽(yáng)離子進(jìn)一步加速，并再次根據(jù)它們的 m/q 比進(jìn)行分類。 但對(duì)于許多放射性同位素來(lái)說(shuō)，仍然存在同量異位素的問(wèn)題： 具有近似質(zhì)量的不同元素的同位素，其含量可能超過(guò)目標(biāo)放射性同位素(例如，135Cs 和同量異位素 135Ba)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 解決同量異位素問(wèn)題的常規(guī)方法是使用很高的 (>10 MV) 電壓加速，根據(jù)離子微小的核電荷細(xì)節(jié)對(duì)離子進(jìn)行分類。 但世界上只有少數(shù)設(shè)施和放射性同位素能夠?qū)崿F(xiàn)這種方法。

幸運(yùn)的是，包括維也納大學(xué)物理系的 Martin Martschini 博士在內(nèi)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種出色且強(qiáng)大的替代方案，該方案通過(guò)巧妙地結(jié)合使用激光和選擇性光剝離來(lái)執(zhí)行 AMS。

解決方案

他們的 AMS 系統(tǒng)稱為維也納環(huán)境研究加速器 (VERA)。 在 VERA 中有效消除同量異位素背景信號(hào)的關(guān)鍵是他們開(kāi)發(fā)的離子激光交互作用質(zhì)譜法 (ILIAMS)。 這是一種新型元素選擇過(guò)濾器，是全球一個(gè)與 AMS 設(shè)施耦合的同類設(shè)備。

ILIAMS 在陰離子階段(“低能量質(zhì)譜儀”)實(shí)施，并通過(guò)閾值光剝離進(jìn)行工作。 Martschini 指出，“分子和原子陰離子的光子能量都有閾值，用于光剝離額外的電子;吸收超過(guò)該能量的光子會(huì)導(dǎo)致電子射出，即中和了陰離子。 對(duì)于每種目標(biāo)放射性核素，我們都會(huì)仔細(xì)設(shè)計(jì)樣品的化學(xué)制備過(guò)程，使含有放射性核素的陰離子比同量異位素的陰離子具有更高的電離閾值。 然后我們選擇特定波長(zhǎng)的激光，其光子能量高于同量異位素離子的閾值，但低于該目標(biāo)放射性核素的閾值。”因此，激光在剝離和加速階段之前就消除了離子束中的同量異位素。 從理論上講，這需要適當(dāng)波長(zhǎng)(光子能量)的激光。 因此，為了使 VERA 能夠根據(jù)不同的放射性同位素及其同量異位素進(jìn)行研究測(cè)量，就需要多種不同波長(zhǎng)的激光組合。

然而，對(duì)激光的要求不僅僅是需要一個(gè)合適的波長(zhǎng)。 ILIAMS 面臨的挑戰(zhàn)是激光吸收和光剝離機(jī)制的低橫截面(概率)。 Martschini 解釋說(shuō)，“為了應(yīng)對(duì)這種情況，我們需要很高的激光強(qiáng)度，并將激光/陰離子的交互作用時(shí)間延長(zhǎng)到一毫秒或更長(zhǎng)時(shí)間?！彼麄兺ㄟ^(guò)讓陰離子束穿過(guò)充滿惰性緩沖氣體(通常是 He)的射頻 (RF) 離子導(dǎo)向器來(lái)實(shí)現(xiàn)后者。 這使陰離子的速度幾乎降到了熱能級(jí)別。 離子導(dǎo)向器長(zhǎng) 1 米，如果激光束與該離子導(dǎo)向器中的陰離子束完全同軸，則激光/離子交互作用時(shí)間約為 1 ms，可以有效消除同量異位素。

VERA 的兩臺(tái)激光器是 355 nm 的Coherent AVIA LX 和功率高達(dá) 20 瓦的 532 nm Verdi 18。 Martschini 說(shuō)：“我們選擇這些激光器有幾個(gè)原因。 首先，它們?yōu)?ILIAMS 提供了非常有效的必要功率。 其次，他們有圓形的 橫模TEM00 輸出光束，M2 相當(dāng)接近 1.0。 這種高光束質(zhì)量對(duì)我們的技術(shù)至關(guān)重要，因?yàn)槲覀儽仨毻ㄟ^(guò) 1 米長(zhǎng)的離子導(dǎo)束路徑兩端的 3 毫米孔徑對(duì)準(zhǔn)光束，該路徑位于真空系統(tǒng)的入口窗口和最后一個(gè)光學(xué)透鏡的下游 3 米處。 最后，它們非常可靠。 每次數(shù)據(jù)運(yùn)行都需要 1-6 小時(shí)。 但我們通常都會(huì)安排一周的時(shí)間，針對(duì)同一特定同位素和同量異位素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 每次試驗(yàn)時(shí)，我們都要求在一周內(nèi)保持完美的激光性能，否則我們就會(huì)遇到重大的調(diào)度問(wèn)題?！?/p>

成果

在開(kāi)發(fā) ILIAMS 時(shí)，團(tuán)隊(duì)希望它能夠?qū)⑼慨愇凰氐谋尘跋?6-8 個(gè)數(shù)量級(jí)，但事實(shí)證明，對(duì)于一些同量異位素而言，它的效果甚至比這個(gè)理想的目標(biāo)還要好。 根據(jù) Martschini 的說(shuō)法，“一個(gè)突出的例子是硫和氯的分離，我們可以使用 Verdi 激光器的 532 nm 輸出，將 36S 相對(duì)于 36Cl 抑制了令人難以置信的 11 個(gè)數(shù)量級(jí)?！?/p>

Martschini 總結(jié)說(shuō)，多虧了 ILIAMS，越來(lái)越多新的微量同位素可以在環(huán)境層面使用 AMS 分析了。 增加的同位素包括長(zhǎng)壽命的裂變產(chǎn)物 90Sr(達(dá)到了全球任何檢測(cè)技術(shù)的較高靈敏度)。 他引用的其他重要示例包括銫放射性同位素 135Cs 和 137Cs，它們以前都是出了名的難測(cè)元素。 使用傳統(tǒng)的 AMS，幾乎不可能從海水等一些環(huán)境樣本中分析出 135Cs 和 137Cs 離子，因?yàn)橄嗤|(zhì)量的鋇同位素含量可能是它們的一百萬(wàn)倍(或更多)。 但是，由于 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代的核試驗(yàn)，以及最近的福島核災(zāi)難，這些對(duì)環(huán)境安全具有重要意義的放射性同位素出現(xiàn)在了海洋和魚(yú)類中。 幸運(yùn)的是，得益于 ILIAMS，即使在超微量水平上，現(xiàn)在對(duì)它們的測(cè)量也相對(duì)簡(jiǎn)單起來(lái)了。

與此同時(shí)，在 VERA，對(duì)其他放射性同位素探索仍在繼續(xù)。 展望未來(lái)，Martschini 表示，ILIAMS 團(tuán)隊(duì)目前正在努力增加天體物理學(xué)方向的研究 182Hf。

長(zhǎng)期以來(lái)，激光一直用于分析目的 – 根據(jù)樣品的成分、相位、溫度等進(jìn)行檢測(cè)。 但是，創(chuàng)新的 ILIAMS 方法使維也納大學(xué)的科學(xué)家及其世界各地的合作者都能夠使用激光來(lái)研究各種樣本的詳細(xì)歷史，這是前所未有的。

審核編輯 黃宇