Способ определения концентрации редкого изотопа Советский патент 1989 года по МПК H01J49/26 

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

Цель изобретения - увеличение отг-. ношения измеряемых концентрацией основного и редкого изотопа.

На фиг.1 изображена блок-схема установки для реализации предлагаемого /способа; на фиг.2 - схема уровней атомов гелия и калия и используемые переходы для создания рид- берговских атомов гелия.

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

Элементы 1-3 используются в статическом масс-спектрометре. Пере- арядная ячейка 4 необходима для нейтрализации ионного пучка за выходной щелью 3. Неперезарядившиеся ионы

СП

2

Ф

00 00

вьгоодятся из пучка фильтрующим конденсатором 5, так что на входе в бесполевую область 6 имеется только пучок нейтральных атомов, В этой области атомы возбуждаются в ридбер- говское состояние и далее, влетая в полевой ионизатор 7, ионизуются элек рическим полем того же ионизатора, образовавшиеся ионы отклоняются на детектор 8,

Сущность процессов состоит в следующем.

ЧеЛзез выходную щель масс-спектрометра вместе с редким изотопом, который необходимо детектировать, проходят также ионы либо соседнего ос новного изотопа либо фоновые ионы, имеющие то же отношение заряда к массе,. Практически все эти ионы нейтрализуются в перезарядной ячейке. Не- перезарядившиеся ионы могут быть выведены из пучка электрнческим полем, Сечение перезарядки составляет величину что значительно I больше сечения расстояния, и пучок атомов на выходе перезарядной ячёй- |ки имеет практически ту же расходи- JMocTb, что и исходный пучок ионов. В бесполевой области осуществляется возбуждение с помощью лазерного излучения с частотами л1, и ридбер- говские состояния только целевого редкого изотопа. Влетая в область полевого ионизатора, эти атомы ионизу- ются и этим же полем отклоняются на детектор, Так как атомы, созданные в ионном источнике масс-спектрометра, имеют одинаковую энергию, определяемую ускоряющим напряжением U,TO за выходной щелью они имеют различную скорость, а следовательно, различный Доплеровский сдвиг резонансной частоты поглощения. Этот дополнительный I изотопический сдвиг существует для |любого атомного перехода и его мож- но использовать для изотонически сеФлективного возбуждения атомов в рид- берговские состояния. Селективность возбуждения S, а следовательно, и увеличение по сравнению с масс-спект рометрическим способом измеряемого отношения концентраций изотопов определяется неизбежным поглощением ;в линии поглощения соседнего основ- |ного изотопа. Селективность возбуж- |дения на одной ступени лазерного воз буждения

S () Г

где aVyj- величина изотопического

сдвига; /3Vp - радиационная полуширина

линии поглощения i

При двухступенчатом возбуткдении обеспечивается селективность на каждой ступени, причем общая селективность S есть произведение селективнрстей

10

S

S

2

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Для изотопов гелия 8 („5 7,17 см- , Дт)р 2,8-10- см-7,

При использовании гелия селективность лазерного возбуждения редкого изотопа гелий-3 ограничена процессами столкновений на уровне 10, Следовательно, измеряемое отношение концентраций может увеличиваться в 10 раз по сравнению со статическими масс-спектрометрами и достигать веЛи- чины Для сравнения напом ним, что измеренное отношение кон-, центраций для магнитного резонансного способа равно 105,

Пример , Детектирование изотопа галий-3.

Основная трудность в определении концентрации этого изотопа связана с интерференцией от ионов с близкой массой Н и HD и рассеянных ионов от изотопа.;гелий-4, Это ограничивает минимально детектируемую относительную концентрацию на уровне 10 - 10, Для радикального увеличения диапазона детектируемых отношений концентраций за выходной щелью устанавливается перезарядная ячейка с парами калия,- В результате, перезарядки ионов гелия на парах калия образуются, атомы гелия в мета- стабильных и 2 8-состояниях. Известно что 3/4 атомов после перезаг рядки находятся в триплетном 2 s-coc- трянии.Поэтому изотопически селективное возбуждение выг, рЬуществлять по триплетной системе уровней (фиг,2) Массовый изотопический сдвиг в спектрах поглощения гелия составляет 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- , нансная частота поглощения смещается при этом в красную сторону на 43 см по сравнению с тепловыми атомами. Изотопический сдвиг на второД ступени возбуждения быстрых атомов сгановится равным 3,2 . При таких ве- личинах изотопического сдвига на обоих ступенях можно легко обеспе- чить изотопически селективное воз буждение с помощью стандартных лазеров на красителях с шириной спектра генерации 0,5 см- Селективность возбуждения изотопа гелий-3 равна 6 10 1 (ширина линии поглощения на переходе 2 S-3- P равна л Vp 2,8х ). Селективность возбзгжде- ния редкого изотопа ограничена столкновительными процессами. Существует два процесса, которые ограничивают достижение данной селективности. Первый процесс связан с возбуждением пучка быстрых метастабиль- ных атомов гелия в ридберговские /состояния при столкновении с молеку,- лами остаточного газа в бесполевой области Такие ридберговские атомы ионизуются в ионизаторе и отклоняются на детектор как и селективно созг- данные атомы гелия-3. Второй процесс обусловлен столкновительной ионизацией метастабильных атомов на молекулах остаточного газа в области ионизатора. Образовавшиеся ионы также отклоняются на детектор и не отличаются от сигнальных. Оба эти процесса дают примерно одинаковый вклад и при остаточном вакууме в системе 10 торр составляют одну миллионную часть от сигнала селективной лазер- ной -ионизации. Таким образом, ис- .пользование лазерной фотоионизации

гелия-J позволит увеличить отноше кие измеряемых концентраций изото .

пов по крайней мере в 10 раз. Для

других атомов это увеличение еще

больше, так как гелий в метастабиль- ном состоянии имеет очень большое сечение столкновительной ионизации и возбуждения в ридберговские состояния.

Предлагаемый способ определения

концентрации редкого изотопа с помощью статического масс-спектрометра позволяет увеличить отношение изме- ряемых концентраций больше, чем в

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

1 ормула изобретения

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

исследуемого вещества, ускорение об- разовавгчихся ионов, разделение их по отношению массы к заряду в магнит-, ном поле и детектирование, о т л и- чающийся тем, что,,с целью

повьш1ения относительной чувствительности, перед детектированием все ионы нейтрализуют в атомы, атомы исследуемого изотопа селективно возбуждают в ридберговское состояние

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

Изобретение относится к масс-спектрометрическим методам анализа вещества и может быть использовано в геофизике, космохронологии, океанологии. Цель изобретения - увеличение относительной чувствительности при измерении концентрации редкого изотопа. Способ осуществляется следующим образом. При проведении масс-спектрометрического анализа через выходную щель 3 масс-анализатора 2 вместе с исследуемым редким изотопом проходят также ионы соседних изотопов. Все эти ионы нейтрализуются в перезарядной ячейке 4. Неперезарядившиеся ионы могут быть выведены из пучка посредством фильтрующего конденсатора 5. В бесполевой области 6 осуществляется возбуждение с помощью лазерного излучения с частотами ν₁ и ν₂ в ридберговские состояния только атомов исследуемого изотопа. Влетая в область полевого ионизатора 7, эти атомы ионизируются и отклоняются на детектор 8. 2 ил.

Фиг. 7

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

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

Фие. 2