SU1504688A1 - Способ определени концентрации редкого изотопа - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к масс-спектрометрическим методам анализа вещества и может быть использовано в геофизике, космохронологии, океанологии. Цель изобретени  - увеличение относительной чувствительности при измерении концентрации редкого изотопа. Способ осуществл етс  следующим образом. При проведении масс-спектрометрического анализа через выходную щель 3 масс-анализатора 2 вместе с исследуемым редким изотопом проход т также ионы соседних изотопов. Все эти ионы нейтрализуютс  в перезар дной  чейке 4. Неперезар дившиес  ионы могут быть выведены из пучка посредством фильтрующего конденсатора 5. В бесполевой области 6 осуществл етс  возбуждение с помощью лазерного излучени  с частотами ν₁ и ν₂ в ридберговские состо ни  только атомов исследуемого изотопа. Влета  в область полевого ионизатора 7, эти атомы ионизируютс  и отклон ютс  на детектор 8. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к масс- спектррметрии и может быть использовано в геофизике,.океанологии, кос- аохронологии, сейсмологии и т.д. при необходимости определени  концентрации редких изотопов по отношению к основным изотопам.

Цель изобретени  - увеличение отг-. ношени  измер емых концентрацией основного и редкого изотопа.

На фиг.1 изображена блок-схема установки дл  реализации предлагаемого /способа; на фиг.2 - схема уровней атомов гели  и кали  и используемые переходы дл  создани  рид- берговских атомов гели .

Установка состоит из ионного источника 1, магнитного анализатора 2, выходной щели 3 масс-спектрометра, перезар дной  чейки с парами щелочного металла 4, фильтрующего конденсатора 5, бесполевой области 6, ионизатора 7 и детектора 8.

Элементы 1-3 используютс  в статическом масс-спектрометре. Пере- ар дна   чейка 4 необходима дл  нейтрализации ионного пучка за выходной щелью 3. Неперезар дившиес  ионы

СП

2

Ф

00 00

вьгоод тс  из пучка фильтрующим конденсатором 5, так что на входе в бесполевую область 6 имеетс  только пучок нейтральных атомов, В этой области атомы возбуждаютс  в ридбер- говское состо ние и далее, влета  в полевой ионизатор 7, ионизуютс  элек рическим полем того же ионизатора, образовавшиес  ионы отклон ютс  на детектор 8,

Сущность процессов состоит в следующем .

ЧеЛзез выходную щель масс-спектрометра вместе с редким изотопом, который необходимо детектировать, проход т также ионы либо соседнего ос новного изотопа либо фоновые ионы, имеющие то же отношение зар да к массе ,. Практически все эти ионы нейтрализуютс  в перезар дной  чейке. Не- перезар дившиес  ионы могут быть выведены из пучка электрнческим полем, Сечение перезар дки составл ет величину что значительно I больше сечени  рассто ни , и пучок атомов на выходе перезар дной  чёй- |ки имеет практически ту же расходи- JMocTb, что и исходный пучок ионов. В бесполевой области осуществл етс  возбуждение с помощью лазерного излучени  с частотами л1, и ридбер- говские состо ни  только целевого редкого изотопа. Влета  в область полевого ионизатора, эти атомы ионизу- ютс  и этим же полем отклон ютс  на детектор, Так как атомы, созданные в ионном источнике масс-спектрометра, имеют одинаковую энергию, определ емую ускор ющим напр жением U,TO за выходной щелью они имеют различную скорость, а следовательно, различный Доплеровский сдвиг резонансной частоты поглощени . Этот дополнительный I изотопический сдвиг существует дл  |любого атомного перехода и его мож- но использовать дл  изотонически сеФлективного возбуждени  атомов в рид- берговские состо ни . Селективность возбуждени  S, а следовательно, и увеличение по сравнению с масс-спект рометрическим способом измер емого отношени  концентраций изотопов определ етс  неизбежным поглощением ;в линии поглощени  соседнего основ- |ного изотопа. Селективность возбуж- |дени  на одной ступени лазерного воз буждени 

S () Г

где aVyj- величина изотопического

сдвига; /3Vp - радиационна  полуширина

линии поглощени  i

При двухступенчатом возбуткдении обеспечиваетс  селективность на каждой ступени, причем обща  селективность S есть произведение селективнрстей

10

S

S

2

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Дл  изотопов гели  8 („5 7,17 см- , Дт)р 2,8-10- см-7,

При использовании гели  селективность лазерного возбуждени  редкого изотопа гелий-3 ограничена процессами столкновений на уровне 10, Следовательно , измер емое отношение концентраций может увеличиватьс  в 10 раз по сравнению со статическими масс-спектрометрами и достигать веЛи- чины Дл  сравнени  напом ним, что измеренное отношение кон-, центраций дл  магнитного резонансного способа равно 105,

Пример , Детектирование изотопа галий-3.

Основна  трудность в определении концентрации этого изотопа св зана с интерференцией от ионов с близкой массой Н и HD и рассе нных ионов от изотопа.;гелий-4, Это ограничивает минимально детектируемую относительную концентрацию на уровне 10 - 10, Дл  радикального увеличени  диапазона детектируемых отношений концентраций за выходной щелью устанавливаетс  перезар дна   чейка с парами кали ,- В результате, перезар дки ионов гели  на парах кали  образуютс , атомы гели  в мета- стабильных и 2 8-состо ни х. Известно что 3/4 атомов после перезаг р дки наход тс  в триплетном 2 s-coc- тр нии.Поэтому изотопически селективное возбуждение выг, рЬуществл ть по триплетной системе уровней (фиг,2) Массовый изотопический сдвиг в спектрах поглощени  гели  составл ет 1,45 см- на переходе ( Л 3888А), При возбуждении пучка атомов с энергией 4 кэВ величина изотопического сдвига д л) ц i на этом переходе возрастает до . Peso- , нансна  частота поглощени  смещаетс  при этом в красную сторону на 43 см по сравнению с тепловыми атомами. Изотопический сдвиг на второД ступени возбуждени  быстрых атомов сгановитс  равным 3,2 . При таких ве- личинах изотопического сдвига на обоих ступен х можно легко обеспе- чить изотопически селективное воз буждение с помощью стандартных лазеров на красител х с шириной спектра генерации 0,5 см- Селективность возбуждени  изотопа гелий-3 равна 6 10 1 (ширина линии поглощени  на переходе 2 S-3- P равна л Vp 2,8х ). Селективность возбзгжде- ни  редкого изотопа ограничена столкновительными процессами. Существует два процесса, которые ограничивают достижение данной селективности . Первый процесс св зан с возбуждением пучка быстрых метастабиль- ных атомов гели  в ридберговские /состо ни  при столкновении с молеку,- лами остаточного газа в бесполевой области Такие ридберговские атомы ионизуютс  в ионизаторе и отклон ютс  на детектор как и селективно созг- данные атомы гели -3. Второй процесс обусловлен столкновительной ионизацией метастабильных атомов на молекулах остаточного газа в области ионизатора. Образовавшиес  ионы также отклон ютс  на детектор и не отличаютс  от сигнальных. Оба эти процесса дают примерно одинаковый вклад и при остаточном вакууме в системе 10 торр составл ют одну миллионную часть от сигнала селективной лазер- ной -ионизации. Таким образом, ис- .пользование лазерной фотоионизации

гели -J позволит увеличить отноше кие измер емых концентраций изото .

пов по крайней мере в 10 раз. Дл 

других атомов это увеличение еще

больше, так как гелий в метастабиль- ном состо нии имеет очень большое сечение столкновительной ионизации и возбуждени  в ридберговские состо ни .

Предлагаемый способ определени 

концентрации редкого изотопа с помощью статического масс-спектрометра позвол ет увеличить отношение изме- р емых концентраций больше, чем в

10 раз, что позвол ет проводить ана ЛИЗ изотопного состава с относительной концентрацией менее 10 °-

1 ормула изобретени 

Способ определени  концентрации редкого изотопа с помощью масс-спектрометра , включающий ионизацию атомов

исследуемого вещества, ускорение об- разовавгчихс  ионов, разделение их по отношению массы к зар ду в магнит-, ном поле и детектирование, о т л и- чающийс  тем, что,,с целью

повьш1ени  относительной чувствительности , перед детектированием все ионы нейтрализуют в атомы, атомы исследуемого изотопа селективно возбуждают в ридберговское состо ние

встречным лазерным излyчJeниeм и пов- торно ионизуют в поперечном электри- ;ческом поле.

Фиг. 7

HeF Kl fo P, D, S.b,Xt/sA/S 4.,

yJ/ 7/ r/7}yf/ y /yr .

Фие. 2

Claims (1)

1. Способ определения концентрации редкого изотопа с помощью масс-спектрометра, включающий ионизацию атомов исследуемого вещества, ускорение образовавшихся ионов, разделение их по отношению массы к заряду в магнитном поле и детектирование, от л и— чающийся тем, что,,с целью ности, перед детектированием все ионы нейтрализуют в атомы, атомы исследуемого изотопа селективно возбуждают в ридберговское состояние встречным лазерным излучением и повторно ионизуют ческом поле.

   в поперечном электри-