圖 1. 在 ILIAMS 設置中，初始陰離子束在波導中冷卻，同時由適當波長的同軸激光束照射，產(chǎn)生選擇性電光剝離。 圖片來源：Martin Martschini。

挑戰(zhàn)

環(huán)境科學、地質(zhì)學、天體物理學(隕石)、考古學和其他領域的分析研究都需要使用長壽命放射性同位素(半衰期較長的放射性核素)來確定樣品的年齡、來源和其他歷史印記。 其中關鍵的品質(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。 應用的是“碳測年”的碳-14 (14C)。遺憾的是，這些放射性標記物通常濃度很低。 測量其低濃度的靈敏的方法稱為加速器質(zhì)譜法 (AMS)，有時可以達到 attomolar 級的靈敏度。 與基于輻射檢測的替代方法相比，它僅需要幾毫克的樣品。 然而，AMS 的一個主要局限性是存在多余的同量異位素，這些同量異位素會完全淹沒一些目標核素的信號。

AMS 的過程存在多個步驟，先產(chǎn)生一個先帶負電，然后帶正電的加速(高達MeV)離子束，通過使用強磁場的偏轉(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)生一束負離子(陰離子)，在經(jīng)過 m/q 分析后，這些負離子被注入一個剝離器的設備中被轉(zhuǎn)化為正離子(陽離子)，同時也排除了可能與目標核素具有相同 m/q 比的小分子離子，例如，14C- 和 12CH2-。 然后，陽離子進一步加速，并再次根據(jù)它們的 m/q 比進行分類。 但對于許多放射性同位素來說，仍然存在同量異位素的問題： 具有近似質(zhì)量的不同元素的同位素，其含量可能超過目標放射性同位素(例如，135Cs 和同量異位素 135Ba)幾個數(shù)量級。 解決同量異位素問題的常規(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節(jié)對離子進行分類。 但世界上只有少數(shù)設施和放射性同位素能夠?qū)崿F(xiàn)這種方法。

幸運的是，包括維也納大學物理系的 Martin Martschini 博士在內(nèi)的一個團隊已經(jīng)開發(fā)出了一種出色且強大的替代方案，該方案通過巧妙地結(jié)合使用激光和選擇性光剝離來執(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的關鍵是他們開發(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濾器，是全球一個與 AMS 設施耦合的同類設備。

ILIAMS 在陰離子階段(“低能量質(zhì)譜儀”)實施，并通過閾值光剝離進行工作。 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;吸收超過該能量的光子會導致電子射出，即中和了陰離子。 對于每種目標放射性核素，我們都會仔細設計樣品的化學制備過程，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，但低于該目標放射性核素的閾值?！币虼?，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，這需要適當波長(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行研究測量，就需要多種不同波長的激光組合。

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

VERA 的兩臺激光器是 355 nm 的Coherent AVIA LX 和功率高達 20 瓦的 532 nm Verdi 18。 Martschini 說：“我們選擇這些激光器有幾個原因。 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 相當接近 1.0。 這種高光束質(zhì)量對我們的技術至關重要，因為我們必須通過 1 米長的離子導束路徑兩端的 3 毫米孔徑對準光束，該路徑位于真空系統(tǒng)的入口窗口和最后一個光學透鏡的下游 3 米處。 最后，它們非?？煽?。 每次數(shù)據(jù)運行都需要 1-6 小時。 但我們通常都會安排一周的時間，針對同一特定同位素和同量異位素進行實驗。 每次試驗時，我們都要求在一周內(nèi)保持完美的激光性能，否則我們就會遇到重大的調(diào)度問題?！?/p>

成果

在開發(fā) ILIAMS 時，團隊希望它能夠?qū)⑼慨愇凰氐谋尘跋?6-8 個數(shù)量級，但事實證明，對于一些同量異位素而言，它的效果甚至比這個理想的目標還要好。 根據(jù) Martschini 的說法，“一個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 相對于 36Cl 抑制了令人難以置信的 11 個數(shù)量級。”

Martschini 總結(jié)說，多虧了 ILIAMS，越來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壽命的裂變產(chǎn)物 90Sr(達到了全球任何檢測技術的較高靈敏度)。 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，因為相同質(zhì)量的鋇同位素含量可能是它們的一百萬倍(或更多)。 但是，由于 20 世紀 50 年代和 60 年代的核試驗，以及最近的福島核災難，這些對環(huán)境安全具有重要意義的放射性同位素出現(xiàn)在了海洋和魚類中。 幸運的是，得益于 ILIAMS，即使在超微量水平上，現(xiàn)在對它們的測量也相對簡單起來了。

與此同時，在 VERA，對其他放射性同位素探索仍在繼續(xù)。 展望未來，Martschini 表示，ILIAMS 團隊目前正在努力增加天體物理學方向的研究 182Hf。

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

審核編輯 黃宇