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加速器质谱测量中的充气飞行时间探测方法及其应用

管永精  
【摘要】: 从上世纪70年代末到现在近30年的时间里加速器质谱(Accelerator MassSpectrometry,AMS)技术得到了极快的发展,AMS测量的核素在不断增加。小型化乃至“桌面”AMS是当今AMS装置发展的重要趋势。低能AMS专用加速器的广泛使用以及重裂变产物核素测量的需求,对粒子鉴别方法提出了更高的要求。如何提高同量异位素的鉴别能力一直是AMS方法学研究的热点问题之一。有鉴于此,本工作建立了充气飞行时间探测方法,并用于AMS分析实际样品。 本论文首次从理论和实验两方面对充气飞行时间探测方法进行了系统的研究。此方法鉴别同量异位素的能力不仅与离子的入射能量有关,还与离子的剩余能量和飞行距离有关,它结合了ΔE-E法和TOF法的特点,有利于提高低能量下同量异位素的测量灵敏度。 本文对GF-TOF法进行了详细的论述,建立了基于原子能科学研究院HI-13串列AMS系统的GF-TOF系统。着重研究了~(36)Cl和~(36)S的鉴别条件,包括系统的时间分辨、离子剩余能量的选择、飞行距离的选择以及得到~(36)Cl和~(36)S鉴别的最佳条件。利用GF-TOF法实现了不同入射能量下~(36)Cl和~(36)S的鉴别。在64、48和33 MeV 3个不同的入射能量下(加速器的工作电压分别对应为8.0、6.0和4.1 MV),不充气时系统的时间分辨分别为352±30、580±30和920±45 ps。利用GF-TOF探测系统对一系列的AgCl标准样品进行了测量,并比较了ΔE-E和GF-TOF这两种方法对同量异位素的鉴别能力。实验结果表明,在离子入射能量较高时(>40 MeV)ΔE-E法有较好的分辨能力,当~(36)Cl离子的能量在30 MeV左右时,GF-TOF法有较好的分辨能力。利用GF-TOF法在入射离子能量为40 MeV的条件下对两个分别取自地下3158.9和2950 m的水样品中~(36)Cl的含量进行了测定,其~(36)Cl/Cl的比值分别为(1.35±0.41)×10~(-12)和(3.17±1.10)×10~(-13)。实验结果表明,在64 MeV和40 MeV这两个能量下此方法对于~(36)Cl的测量灵敏度分别为3.0×10~(-15)和4.0×10~(14)。 本文最后还在GF-TOF法的基础上,提出了一种新的基于充气磁谱仪的用于同量异位素鉴别的探测方法:充气磁谱仪飞行时间法(Gas-filled magnet and time-of flight,GFM-TOF)。在传统的充气磁谱仪法的基础上初步建立了此方法的运动学计算,并进行了重核素的理论分析计算,如~(79)Se和~(99)Tc,并与充气磁谱仪法的结果进行了对比,最后从理论上给出了此方法的应用范围。 作者的在本文中的贡献: (1)首次对GF-TOF法进行了系统的研究; (2)建立了一套时间分辨好的探测系统; (3)实现了同量异位素的鉴别并进行了相关的应用,测量了一系列的~(36)Cl样品; (4)首次对充气磁谱仪—飞行时间这种新方法进行了理论分析。


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