氚的定量深度分布测量以及10Be,14C,26Al的加速器质谱应用
摘要 作为联合培养的博士研究生,作者有机会参于德国ROSSENDORF研究中心和上海原子核研究所的加速器质谱(AMS)研究课题,这篇论文因此包括在ROSSENDORF和上海的两部分工作.加速器质谱计是一种超灵敏的离子探测技术,其测量灵敏度可达〓.发展近二十年来,在考古,地球科学,宇宙学,粒子物理和核物理等诸多领域得到了广泛的应用.基于一台3MV串列加速器之上的ROSSENDORF研究中心离子束物理和材料研究所的加速器质谱系统主要应用于氚的测量.本文着重介绍利用AMS研究氢同位素在GARCHING马克斯-普朗克等离子体物理研究所的托克马克D,D核聚变反应堆ASDEX-UPGRADE墙材料中的沉积.氢同位素在墙材料中的沉积是受控核聚变研究的一个重要课题,AMS为此提供了一种全新的而且被证明为最灵敏的测量手段.对于AMS,测量杂质在材料中的深度分布也是一个崭新的应用领域.为了实现深度分布分析,对传统的加速器质谱测量作了必要必进.首先,通过机械摇动样品架靶杆实现了离子源对样品的横向均匀溅射.其次,通过使用电子学门信号,有选择地分析从溅射区域中心引出的离子束,克用了溅射坑边墙带来的测量误差.最后,利用离子注入标准样品和均匀掺杂标准样品标定深度分布测量系统,直接给出了氢同位素在碳样品中绝对的浓度随深度的变化,而不是象常规的加速器质谱测量只给出同位素的相对比值.测量了从ASDEX-UPGRADE墙上不同位置取样的碳样品,并对测量结果以及标定过程中可能引起的误差进行了详细讨论.氚来源于等离体中的D(D,P)T核反应,由于只有少量的核聚变反应发生,墙材料中只沉积了极微量的氚.氚是D,D核聚变反应的燃料,逃离等离体后被大量地注入到墙材料中.AMS被用作氚的深度分析,测量灵敏度为〓原子/立方厘米,比其它离,子束分析方法所能达到的测量灵敏度提高了至少七个数量级.样品中的氘通过扫描注入磁铁的磁场,用常规的二次离子质谱(SLMS)方法测量,测量灵敏度为〓原子/立方厘米,和其它的离子束分析方法所能达到的探测极限相当,但测量深度范围被大大提高,所分析的深度可以达到固体表面25微米左右.根据AMS测量结果所得到的在ASDEX-UPGRADE墙材料中沉积的氚总量的估计与D〓HE反应产生的中子总量相符,氘的SIMS测量结果和用其它测量技术所得结果可以比拟.上海原子核研究所的加速器质谱建立在本所自生研制建造的6MV串列加速器上.整个束流光学系统按照加速器质谱分析〓,〓和〓的要求重新进行了设计.在对现在的分析器进行改进的同时,设计安装了为AMS测量所必须的分析元件.为了把强丰度的干扰离子抑制到〓以下,使用了有明确质量分辨的磁分析器.中加速后的束流线上增加了速度分析器和静电分析器,进一步抑制了干扰离子的影响.狭缝稳压的应用有效地提高了加带器端电压的稳定性.根据不同同位素的有关特性建立了不同的离子探测系统.通过对标准样品的比较测量克用了在样品分析过程中存在的同位素分馏效应.由于使用铯溅射负离子源,在〓和〓的测量中,同质异位素的干扰被消除,其它可能的干扰离子被磁,电分析器有效抑制在其进入探测系统之前.〓和〓的探测灵敏度分别为〓和〓.〓对〓的干扰主要靠鉴别技术排除,〓的测量灵敏度为〓.在成功地探测了〓,〓和〓以后,开展了一系列的应用研究工作,涉及到核物理,考古和生物医学等领域.通过加速器质谱测量由氘轰击铍靶所产生的〓得到了〓核反应总截面,通过〓测量确定了古代文物的年代.以〓作示踪,用动物作试验,对铝在动物体内的新陈代谢过程进行了系统的研究,得到了动物器官内的铝沉积与动物痴呆程度相关的结论.
- 作者：
- 孙国燕
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海原子核研究所
- 专业名称：
- 原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 1998年
- 导师姓名：
- 程晓伍
- 关键词：
- 氚；加速器质谱；离子探测
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