CN109841487B - 一种在线加速器质谱测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种在线加速器质谱测量系统包括：快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统；所述快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统按序连接；所述快速取样子系统用于采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；所述样本处理子系统用于对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量。本发明包括以下优点：第一、能够实现在测量现场的安装；第二、能够实现在线或准在线的测量；第三、能够扩大AMS的应用范围。

Description

一种在线加速器质谱测量方法和系统

技术领域

本申请涉及加速器质谱技术领域，特别是涉及一种在线加速器质谱测量方法和系统。

背景技术

AMS(Accelerator Mass Spectrometry,加速器质谱)是一种基于加速器技术和离子探测器技术的高能量同位素质谱仪，主要用于宇宙射线成因核素如14C、10Be、26Al、41Ca、85Kr和236U等的同位素丰度比值的测量。

上世纪七十年代末，AMS开始出现以来，一直采用溅射负离子源。主要原因是一方面，串列加速器能量单一性好，能量比较高，这样有利于排除本底排除。另一方面，负离子源具有排除同量异位素本地的能力，有些核素的同量异位素不能够形成负离子。例如，测量14C时,同量异位素14N不能形成负离子；测量26Al时，26Mg也不能形成负离子。所以，基于负离子源的串列加速器AMS装置一直是地学、考古等许多学科理想的、先进的分析仪器。因此，在先技术中，如图1，现有的AMS测量系统主要包括：负离子源系统10、注入器系统11、串列加速器系统12、高能分析器系统13和探测器系统14组成。其中，注入器系统11包括前加速段S02和注入磁铁11；串列加速器系统12包括第一加速段S03、剥离器S04和第二加速段S05；高能分析器系统13包括第一分析磁铁S06、第一吸收膜S07、静电分析器S08、第二分析磁铁S09。AMS因具有排除分子离子本底和同量异位素离子本底的能力，而极大地提高了测量灵敏度，比如其同位素丰度灵敏度对于14C的测量14C/12C能够达到1x10^-15；对于10Be的测量，10Be/9Be为1x10^-14。

由于核设施运行监测、环境污染物检测、海洋监测和应急检测等发展的要求，需要高灵敏、快速给出测量结果。例如，对于环境PM2.5颗粒物中14C进行测量需要在固定时间内(比如一小时之内)实现取样和现场测量；对于核电站、后处理场等核设施的监测也需要在一小时之内实现对于3H、14C、129I、133Xe、85Kr、133Cs和135Cs等核素的测量。其测量的同位素丰度灵敏度需要达到10^-12—10^-14之间。

现有技术的AMS仪器第一方面需要取样、制样、测量三个步骤；第二方面，AMS仪器比较大，不能够在现安装，属于实验室仪器。因此，目前的AMS无法实现预设时间段内之内的取样和现场测量。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本申请实施例以便提供一种克服上述问题的一种在线加速器质谱测量方法和系统。

为了解决上述问题，本申请公开了一种在线加速器质谱测量系统，包括：

快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统；

所述快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统按序连接；

所述快速取样子系统用于采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；

所述样本处理子系统用于对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量。

优选的，所述快速取样子系统包括：大流量固体取样器、气体取样器、液体采样器其中至少一个；所述大流量固体取样器用于针对气溶胶和大气颗粒物的取样；所述气体取样器用于针对气体取样；所述液体采样器用于针对液体取样。

优选的，所述样本处理子系统包括：

样本气化装置、样本纯化装置、进样装置；

所述样本气化装置的输入端与所述快速取样子系统的输出端连接，所述样本气化装置、样本纯化装置、进样装置按序连接，所述进样装置的输出端与所述小型加速器质谱测量子系统连接；

所述样本气化装置用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

所述样本纯化装置用于对所述气体样本进行纯化；

所述进样装置用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

优选的，所述小型加速器质谱测量子系统包括：

离子源、注入器、加速器、分析器和探测器；所述加速器的端电压小于200kV；所述离子源与所述进样装置的输出端连接；所述离子源、注入器、加速器、分析器和探测器按序连接。

优选的，所述离子源为负离子源，所述加速器为基于负离子源的串列加速器。

优选的，所述离子源为正离子源，所述加速器为基于正离子源的单级静电加速器。

相应的，本申请还公开了一种在线加速器质谱测量方法，包括：

通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；

通过样本处理子系统对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量。

优选的，所述通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统的步骤，包括：

通过大流量固体取样器针对气溶胶和大气颗粒物的取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，通过气体取样器针对气体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，通过液体采样器针对液体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统。

优选的，所述样本处理子系统包括：样本气化装置、样本纯化装置、进样装置；所述通过样本处理子系统对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量的步骤，包括：

通过所述样本气化装置用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

通过所述样本纯化装置用于对所述气体样本进行纯化；

通过所述进样装置用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

本申请实施例包括以下优点：

第一、能够实现在测量现场的安装。传统的AMS由于比较大(仪器占地大于3x3平方米)，都是在安装在实验室。本申请实施例的在线加速器质谱测量系统(OnLine-AMS，简称OL-AMS)由于小型化(仪器占地小于3x3平方米)，方便在测量现场安装。

第二、能够实现在线或准在线的测量。其中该在线或准在线是指：在一个小时之内实现取样、样品制备和样品的测量。而传统的AMS安装在实验室，一般是不可能实现在线或准在线AMS测量的。

第三、能够扩大AMS的应用范围。由于OL-AMS能够实现现场的在线或准在线测量，可以显著的扩大AMS的应用范围，例如，环境监测、核设施运行监测、环境应急检测、海洋监测、新药研发和评价、疾病诊断、食品安全检测等。

附图说明

图1是在先技术中AMS测量系统结构示意图；

图2是本申请的一种在线加速器质谱测量系统实施例的结构示意图；

图3是本申请的一种加速器质谱测量方法实施例的步骤流程图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

参照图2，其示出了本申请实施例的一种在线加速器质谱测量系统的结构示意图，具体可以包括：

快速取样子系统20，样本处理子系统21，小型加速器质谱测量子系统22；

所述快速取样子系统20，样本处理子系统21，小型加速器质谱测量子系统22按序连接；

所述快速取样子系统20用于采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统21；

所述样本处理子系统21用于对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统22进行测量。

在实际应用中，快速取样子系统20的输出端与样本处理子系统21的输入端连接，样本处理子系统21的输出端与小型加速器质谱测量子系统22的输入端连接。

那么快速采样子系统20可以将采集到的初始样本发送到样本处理子21进行预处理，获得气体样本，然后将气体样本输出到小型加速器质谱测量子系统22进行测量。

在本申请实施例中，快速取样子系统20可以用于对气溶胶、大气颗粒物、气态流出物、液态流出物等对象的采集。对于不同样品的采集，采用不同的取样系统，例如对于大气颗粒物的采集，采用大口径玻璃纤维膜颗粒物取样器。

优选的，所述快速取样子系统20包括：大流量固体取样器、气体取样器、液体采样器其中至少一个；所述大流量固体取样器用于针对气溶胶和大气颗粒物的取样；所述气体取样器用于针对气体取样；所述液体采样器用于针对液体取样。

在本申请实施例中，可以设置大流量固体取样器、气体取样器、液体采样器中的一个或者多个，当然可以设置多个，在现场具体安装的时候，选用需求的部分进行安装。

在本申请实施例中，快速取样子系统20可以划分为3类：

第一类，针对气溶胶和大气颗粒物的取样，可以采用大流量固体取样器，用于14C、129I和3H的测量。取样时间小于55分钟。

第二类、针对惰性气体、人体呼出气体和核设施的气体流出物采用气体采样器，用于14C、129I、85Kr、133Xe等测量。采样时间小于十分钟。

第三类，对于液体和核设施液体流出物则采用液体采样器。

在本申请实施例中，样本处理子系统21主要具有三个功能：样本的气化功能、样本气体的纯化功能、纯化后样本气体的输送到小型加速器质谱测量子系统22中的进样功能。其主要用于快速的样品制备，产生尽可能纯的气体样本，如CO2、H2、惰性气体等，并将纯化的气体样品输送到小型加速器质谱测量子系统22的离子源中。

优选的，如图2，所述样本处理子系统包括：

样本气化装置A01、样本纯化装置A02、进样装置A03；

所述样本气化装置A01的输入端与所述快速取样子系统20的输出端连接，所述样本气化装置A01、样本纯化装置A02、进样装置A03按序连接，所述进样装置A03的输出端与所述小型加速器质谱测量子系统22连接；

所述样本气化装置A01用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

所述样本纯化装置A02用于对所述气体样本进行纯化；

所述进样装置A03用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

在实际应用中，样本气化装置A01的输出端与样本纯化装置A02的输入端连接，样本纯化装置A02的输出端与进样装置A03的输入端连接。

当然，实际应用中，样本气化装置A01、样本纯化装置A02、进样装置A03可以合为一体。

优选的，所述小型加速器质谱测量子系统22包括：

离子源A04、注入器A05、加速器A06、分析器A07和探测器A08；所述加速器A06的端电压小于200kV；所述离子源A04与所述进样装置A03的输出端连接；所述离子源A04、注入器A05、加速器A06、分析器A07和探测器A08按序连接。

其中，离子源A04的输入端连接样本处理子系统21的输出端，离子源A04的输出端连接注入器A05的输入端；注入器A05的输出端连接加速器A06的输入端；加速器A06的输出端连接分析器A07的输入端；加速器A06的输出端连接分析器A07的输入端；分析器A07的输出端连接探测器A08的输入端。

离子源A04对气体样本进行处理，产生离子束流，然后将离子束流输入到注入器A05，注入器A05将离子束流输送到加速器A06进行加速，加速到需求的能级后，经过分析器A07对离子束流进行分析，然后利用探测器对离子束流A08进行最后的探测。

在本申请实施例中离子源A04为气体离子原，小型加速器质谱测量子系统22基于气体离子原构建，本申请实施例中小型加速器质谱测量子系统22可以用于H、14C、129I、133Xe、85Kr、133Cs和135Cs等核素的超高灵敏、快速的测量。

优选的，所述离子源A04为负离子源，所述加速器A05为基于负离子源的串列加速器。

需要说明的是，当离子源为产生负离子的离子源，加速器A05则采串列加速器。

该串列加速器中有剥离器和设置于剥离器前后两端的加速段。剥离器将负离子剥离为正离子。

其中，正离子源可以为ECR(Electron Cyclotron Resonance，电子回旋共振)强流正离子源，用于产生多电荷态的强流正离子。

优选的，所述离子源A04为正离子源，所述加速器A05为基于正离子源的单级静电加速器。

需要说明的是，当离子源为产生正离子的离子源，加速器A05则单级静电加速器。

此时，由于离子源发出的离子是正离子，不需要剥离器，因此可以直接使用单级静电加速器直接对正离子进行加速。

为了使加速器质谱测量子系统小型化，其中加速器A05的端电压则设置为小于200kV(千伏)。

当然，还可以通过对其他模块进行小型化构建。

优选的，还包括：控制子系统；所述控制子系统分别与快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统连接，控制各子系统的运行。

在本申请实施例中，控制子系统可以由计算机系统架设，可以通过计算机系统发送指令控制各个子系统，还可以控制子系统的各个模块。

与传统的AMS相比，本申请实施例的OL-AMS有三个方面的有益效果。

第一、能够实现在测量现场的安装。传统的AMS由于比较大(仪器占地大于3x3平方米)，都是在安装在实验室。本申请实施例的OL-AMS由于小型化(仪器占地小于3x3平方米)，方便在测量现场安装。

第二、能够实现在线或准在线的测量。其中该在线或准在线是指：在一个小时之内实现取样、样品制备和样品的测量。而传统的AMS安装在实验室，一般是不可能实现在线或准在线AMS测量的。

第三、能够扩大AMS的应用范围。由于OL-AMS能够实现现场的在线或准在线测量，可以显著的扩大AMS的应用范围，例如，环境监测、核设施运行监测、环境应急检测、海洋监测、新药研发和评价、疾病诊断、食品安全检测等。

本申请实施例能够在一小时内实现取样、样品制备和超高灵敏测量，测量的同位素丰度灵敏度在10^-11～10^-15范围。

实施例二

参照图3，其示出了本申请一种在线加速器质谱测量方法的流程示意图，包括：

步骤310，通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；

优选的，所述通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统的步骤，包括：

子步骤311，通过大流量固体取样器针对气溶胶和大气颗粒物的取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，子步骤312，通过气体取样器针对气体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，子步骤313，通过液体采样器针对液体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统。

在本申请实施例中，快速取样子系统20可以划分为3类：

第一类，针对气溶胶和大气颗粒物的取样，可以采用大流量固体取样器，用于14C、129I和3H的测量。取样时间小于55分钟。

第二类、针对惰性气体、人体呼出气体和核设施的气体流出物采用气体采样器，用于14C、129I、85Kr、133Xe等测量。采样时间小于十分钟。

第三类，对于液体和核设施液体流出物则采用液体采样器。

本申请实施例中，对于上述三类取样器，可以只采用其中一种或者多种，当然可以先预先生产好各种取样器，然后根据现场情况选择安装哪一种。比如现场是针对气溶胶和大气颗粒物的取样，则可以安装大流量固体取样器。

步骤320，通过样本处理子系统对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量。

在本申请实施例中，样本处理子系统21主要具有三个功能，样本的气化功能、样本气体的纯化功能、纯化后样本气体的输送到小型加速器质谱测量子系统22中的进样功能。其主要用于快速的样品制备，产生尽可能纯的气体样本，如CO2、H2、惰性气体等，并将纯化的气体样品输送到小型加速器质谱测量子系统22的离子源中。

优选的，所述样本处理子系统包括：样本气化装置、样本纯化装置、进样装置；所述通过样本处理子系统对快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量的步骤，包括：

子步骤321，通过所述样本气化装置用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

子步骤322，通过所述样本纯化装置用于对所述气体样本进行纯化；

子步骤323，通过所述进样装置用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

当然，实际应用中可以不用划分上述三种装置分别进行气化、纯化和进样，可以利用样本处理子系统21整体按序进行上述的气化、纯化和进样过程。

在实际应用中，上述小型加速器质谱测量子系统包括：离子源A04、注入器A05、加速器A06、分析器A07和探测器A08；所述加速器A06的端电压小于200kV；所述离子源A04与所述进样装置A03的输出端连接；所述离子源A04、注入器A05、加速器A06、分析器A07和探测器A08按序连接。

其中，当所述离子源A04为负离子源，所述加速器A05为基于负离子源的串列加速器时，则测量过程可以包括：

由所述负离子源基于气体样本生成负离子束流输入到注入器A05，注入器A05将负离子束流注入到串列加速器中，然后串列加速器对负离子进行剥离和加速，加速后的离子则进入分析器A07进行分析，分析器A07分析完的离子则输入探测器A08进行探测。

其中，当所述离子源为正离子源，所述加速器为基于正离子源的单级静电加速器时，则测量过程可以包括：

由所述正离子源基于气体样本生成正离子束流输入到注入器A05，注入器A05将正离子束流注入到串列加速器中，然后单级静电加速器对正离子进加速，加速后的离子则进入分析器A07进行分析，分析器A07分析完的离子则输入探测器A08进行探测。

与传统的AMS相比，本申请实施例的OL-AMS有三个方面的有益效果。

第一、能够实现在测量现场的安装。传统的AMS由于比较大(仪器占地大于3x3平方米)，都是在安装在实验室。本申请实施例的OL-AMS由于小型化(仪器占地小于3x3平方米)，方便在测量现场安装。

第二、能够实现在线或准在线的测量。其中该在线或准在线是指：在一个小时之内实现取样、样品制备和样品的测量。而传统的AMS安装在实验室，一般是不可能实现在线或准在线AMS测量的。

第三、能够扩大AMS的应用范围。由于OL-AMS能够实现现场的在线或准在线测量，可以显著的扩大AMS的应用范围，例如，环境监测、核设施运行监测、环境应急检测、海洋监测、新药研发和评价、疾病诊断、食品安全检测等。

本申请实施例能够在一小时内实现取样、样品制备和超高灵敏测量，测量的同位素丰度灵敏度在10^-11～10^-15范围。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (6)

1.一种在线加速器质谱测量系统，其特征在于，包括：

快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统；

所述快速取样子系统，样本处理子系统，小型加速器质谱测量子系统按序连接；

所述快速取样子系统用于采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；

所述样本处理子系统用于快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量；

其中，所述小型加速器质谱测量子系统包括：

离子源、注入器、加速器、分析器和探测器；所述加速器的端电压小于200kV；所述离子源与进样装置的输出端连接；所述离子源、注入器、加速器、分析器和探测器按序连接；所述离子源为正离子源，所述加速器为基于正离子源的单级静电加速器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述快速取样子系统包括：大流量固体取样器、气体取样器、液体采样器其中至少一个；所述大流量固体取样器用于针对气溶胶和大气颗粒物的取样；所述气体取样器用于针对气体取样；所述液体采样器用于针对液体取样。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样本处理子系统包括：

样本气化装置、样本纯化装置、进样装置；

所述样本气化装置的输入端与所述快速取样子系统的输出端连接，所述样本气化装置、样本纯化装置、进样装置按序连接，所述进样装置的输出端与所述小型加速器质谱测量子系统连接；

所述样本气化装置用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

所述样本纯化装置用于对所述气体样本进行纯化；

所述进样装置用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

4.一种在线加速器质谱测量方法，应用于权利要求1～3任一项所述的在线加速器质谱测量系统，其特征在于，包括：

通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统；

通过样本处理子系统快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过所述快速取样子系统采集初始样本并将所述初始样本发送至样本处理子系统的步骤，包括：

通过大流量固体取样器针对气溶胶和大气颗粒物的取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，通过气体取样器针对气体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统；

和/或，通过液体采样器针对液体取样，并发送取得的初始样本至样本处理子系统。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述样本处理子系统包括：样本气化装置、样本纯化装置、进样装置；所述通过样本处理子系统快速对所述初始样本进行制备以获得气体样本，并将所述气体样本发送至所述小型加速器质谱测量子系统进行测量的步骤，包括：

通过所述样本气化装置用于对所述样本进行气化，获得气体样本；

通过所述样本纯化装置用于对所述气体样本进行纯化；

通过所述进样装置用于将纯化后的气体样本输入所述小型加速器质谱测量子系统。

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