Espectrometría de masas

Espectrometría de masas del acelerador

Desarrollo

Los aceleradores de partículas utilizados en física nuclear pueden verse como espectrómetros de masas de formas bastante distorsionadas, pero los tres elementos principales (la fuente de iones, el analizador y el detector) siempre están presentes. LW Alvarez y Robert Cornog de los Estados Unidos utilizaron por primera vez un acelerador como espectrómetro de masas en 1939 cuando emplearon un ciclotrón para demostrar que el helio-3 (³ He) era estable en lugar de hidrógeno-3 (³H), una pregunta importante en física nuclear en ese momento. También mostraron que el helio-3 era un componente del helio natural. Su método era el mismo que el descrito anteriormente para el omegatrón, excepto que se utilizó un ciclotrón de tamaño completo, y distinguió fácilmente los dos isótopos. El método no se empleó nuevamente durante casi 40 años; sin embargo, ha encontrado aplicación en la medición de isótopos cosmogénicos, los radioisótopos producidos por los rayos cósmicos que inciden en la Tierra u objetos planetarios. Estos isótopos son extremadamente raros, tienen abundancias del orden de una millonésima millonésima del elemento terrestre correspondiente, que es una relación isotópica mucho más allá de las capacidades de los espectrómetros de masas normales. Si la vida media de un isótopo cosmogénico es relativamente corta, como el berilio-7 (⁷ Be; 53 días) o el carbono-14 (¹⁴ C; 5,730 años), su concentración en una muestra puede determinarse por conteo radiactivo; pero si la vida media es larga, como el berilio-10 (¹⁰ Be; 1,5 millones de años) o el cloro-36 (³⁶ Cl; 0,3 millones de años), dicho curso es ineficaz. La ventaja del gran espectrómetro de masas de acelerador de alta energía es la gran selectividad del detector que resulta de los iones que tienen 1,000 veces más energía de la que cualquier máquina disponible anteriormente podría proporcionar. Los espectrómetros de masas convencionales tienen dificultades para medir abundancias inferiores a la cienmilésima parte del isótopo de referencia, porque los iones interferentes están dispersos en la ubicación del analizador donde se busca el isótopo de baja abundancia. Los extremos de alto vacío y las precauciones contra la dispersión pueden mejorar esto en un factor de 10, pero no en el factor de 100 millones requerido. Un acelerador sufre de este defecto en un grado aún mayor, y se encuentran grandes cantidades de iones "basura" en la ubicación esperada del analizador del isótopo cosmogénico. La capacidad de ciertos tipos de detectores de partículas nucleares para identificar el ion relevante sin ambigüedad permite al espectrómetro de masas del acelerador superar esta deficiencia y funcionar como una poderosa herramienta analítica.

Operación del acelerador electrostático en tándem

El acelerador electrostático en tándem (ver acelerador de partículas: generadores Van de Graaff) desplazó rápidamente todas las otras máquinas para este propósito, principalmente porque su fuente de iones, la fuente de pulverización de cesio descrita anteriormente, se encuentra cerca del potencial de tierra y es fácilmente accesible para cambiar muestras. Los iones deben ser negativos, pero esto no demuestra ser una desventaja, ya que se producen de manera fácil y eficiente. Antes de ingresar al tubo de alto voltaje, los iones se analizan en masa para que solo el haz que emerge en la ubicación de la masa del isótopo cosmogénico ingrese al acelerador; El intenso haz de isótopos de referencia a menudo se mide en esta ubicación sin entrar en el acelerador. El haz de isótopos cosmogénico es atraído hacia el terminal de alto voltaje de la máquina donde las colisiones con gas o una delgada lámina de carbono o ambas tiras de varios números de electrones, dejando al isótopo sujeto con una distribución de múltiples estados de carga positiva que son repelidos por el terminal con carga positiva. Todos los iones moleculares se rompen. El haz emergente luego pasa a través de campos de análisis de los cuales un imán de alta dispersión es la parte principal. Al salir del analizador, el haz entra al detector. Cada ion se examina individualmente de una manera que permite establecer su identidad. La forma más común de hacerlo es mediante el uso de una combinación de dos detectores de partículas: un detector mide la velocidad a la que la partícula pierde energía al pasar una determinada longitud de materia, mientras que el otro mide simultáneamente la energía total de la partícula. Los recuentos se almacenan en los contenedores de una matriz de computadora bidimensional, cuyas coordenadas están dadas por las amplitudes de las señales de los dos detectores. Los numerosos iones "basura" toman valores de los dos detectores que llenan las regiones de la matriz de datos, pero generalmente no se superponen a la región bien definida ocupada por el ion sujeto. Cada tipo de isótopo requiere un sistema detector especialmente diseñado con varios campos de análisis adicionales y, en algunos casos, incluso el uso de técnicas de tiempo de vuelo. Un diagrama esquemático de un espectrómetro de masas acelerador se muestra en la Figura 8.