Способ определения концентрации редкого изотопа

 

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 ν<SB POS="POST">1</SB> и ν<SB POS="POST">2</SB> в ридберговские состояния только атомов исследуемого изотопа. Влетая в область полевого ионизатора 7, эти атомы ионизируются и отклоняются на детектор 8. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 01 J 49/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П.(НТ СССР

1 (21) 4303192/24-21 (22) 08.09.87 (46) 30.08.89, Бюл, 9 32 (71) Институт спектроскопии

АН СССР (72) JO.А.Кудрявцев, В.С,Летохов и В,В.Петрунин (53) 621.384 (088.8) (56) Phys. Lett.,1979, 43, 579, Мамырин Б.А., Толстухин И,Н.

Изотопы гелия в природе. — N.:

Энергоиздат, 1981 с.38-76. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

РЕДКОГО ИЭОТОПА (57) Изобретение относится к массспектрометрическим:методам анализа вещества и может быть использовано в геофизике, космохронологии, океа- нологии. Цель изобретения — увеличеИзобретение относится к массспектрометрии и может быть использовано в геофизике, океанологии, коссхохронологии, сейсмологии и т.д. при необходимости определения концентрации редких изотопов по отношению к основным иэотопам, Цель изобретения — увеличение от-.. 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 испольSU„, 1504688 А 1. ние относительной чувствительности при измерении концентрации редкого изотопа, Способ осуществляется следующим образом. При проведении массспектрометрического анализа через выходную щель 3 масс-анализатора 2 вместе с исследуемым редким изотопом проходят также ионы соседних изо топав.Все эти ионы нейтрализуются в перезарядной ячейке 4. Неперезарядив-. шиеся ионы могут быть выведены из пучка посредством фильтрующего конденсатора 5. В бесполевой области 6 осуществляется возбуждение с помощью лазерного излучения с частотами, и

1 в ридберговские состояния толька атомов исследуемого изотопа, Влетая в область полевого ионизатора 7, зти атомы ионизируются и отклоняются..

/ на детектор 8 ° 2 ил, зуемые переходы для создания ридберговских 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. Перезарядная ячейка 4 необходима для йейтралиэации ионного пучка за выходной щелью 3. Непереэарядившиеся ионы

3 150468 выводятся из пучка фильтрующим кон денсатором 5, так что на входе в бес, полевую область 6 имеется только .пучок нейтральных атомов, В этой об ласти атомы возбуждаются в ридберговское состояние и далее, влетая в полевой ионизатор 7, иониэуются элект рическимм полем того же ионизатора, 1 образовавшиеся ионы отклоняются на детектор 8, Сущность процессов состоит в сле дующем.

Через выходную щель масс-спектро метра вместе с редким изотопом, кото- 15 рый необходимо детектировать, проходят также ионы либо соседнего ос= новного изотопа либо фоновые ионы, имеющие то же отношейие заряда к массе.. Практически все эти ионы нейгра- 20

1 ! лизуются в перезарядной ячейке. Неперезарядившиеся ионы могут быть вы,ведены иэ пучка электрическим полем. (Сечение перезарядки составляет вели-.

1чину 10 4- 10 r cM s что значительно 25, больше сечения расстояния, и пучок

;атомов на выходе перезарядной ячей ки имеет практически ту же расходи мость, что и исходный пучок ионов, В, бесполевой области осуществляется 30 возбуждение с помощью лазерного излучения с частотами 1,и 11 в ридбер-. говские состояния только целевого

;редкого изотопа, Влетая в область гго, левого ионизатора, эти атомы ионизуются и этим же полем отклоняются на

1детектор. Так как атомы, созданные в ионном источнике масс-спектрометра

У ! .имеют одинаковую энергию определяе$ мую ускоряющим напряжением Б,то за, âümoäHoé щелью они имеют различную

,скорость, а следовательно, различный Доплеровский сдвиг резонансной часто ты поглощения. Этот дополнительный !

:изотопический сдвиг существует для любого атомного перехода и его можно использовать для изотопически се"

;лективного возбуждения атомов в ридберговские состояния. Селективность возбуждения S а следовательно, и увеличение по сравнению с масс-спект50 рометрическим способом измеряемого отношения концентраций изотопов определяется неизбежным поглощением в линии поглощения соседнего основного изотопа. Селективность возбуж55

:дения на одной ступени лазерного воз-, буждения

8 4 где Л 4»- величина изотопического сдвига; 4р — радиационная полуширина линии поглощения, При двухступенчатом возбуждении обеспечивается селективность на каждой ступени, причем общая селективность

S есть произведение селективностей

S = S «S . 1

Для изотопов гелия S = 6 10" (сссс 7,17 см, ссг = 2,8 10 см 1

При использовании гелия селективность лазерного возбуждения редкого изотопа гелий-3 ограничена процессами столкновений на уровне 10, Сле6 довательно, измеряемое отношение кон6 центраций может увеличиваться в 10 раз--по сравнению со статическими масс-спектрометрами и достигать величины 10 ®-10, Для сравнения напомним, что измеренное отношение кон-.: центраций для магнитного резонансного crroeoha равно 10

Пример ° Детектирование изотопа галий-3.

Основная трудность в определении концентрации этого изотопа связана с интерференцией от ионов с близкой массой Н+ и HQ+ и рассеян3 ных 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 метастабильных 2 8- и 2 8-состояниях. Известно, что 3/4 атомов после переза; " рядки находятся в триплетном 2 S-соетоянии. Поэтому изотопически селективное возбуждение выгодно осуществлять по триплетной системе уровней (фиг.2)

Массовый изотопический сдвиг .в спектрах поглощения гелия составляет

1,45 см на переходе 2 S-З P (3

= 3888А). При возбуждении пучка атомов с энергией 4 кэВ величина изотопического сдвига д4 „ на этом переходе возрастает до 7 17 см ° Peso" нансная частота поглощения смещается нри этом в красную сторону на 43 см по сравнению с тепловымн атомами, Изотопический сдвиг на второЯ ступени возбуждения быстрых атомов стано04688

5 вится равным 3,2 см . При таких величинах 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 (ширина линии поглощения на переходе 2 8-3sp равна л g = 2,8 х

Р х10- см ), Селективность возбуждения редкого изотопа ограничена столкновительными процессами, Существует два процесса, которые ограничивают достижение данной селективности. Первый процесс связан с возбуждением пучка быстрых метастабильных атомов гелия в ридберговские ,состояния при столкновении с молеку.-.

Р лами остаточного газа в бесполевой области, Такие ридберговские атомы ионизуются в ионизаторе и отклоняются на детектор как и селективно соз".: 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 зти процесса дают примерно одинаковый вклад и при остаточном вакууме в системе 1О торр составляют одну миллионную

:часть от сигнала селективной лазер- ной :ионизации. Таким образом, ис.пользование лазерной фотоионизации гелия-3 позволит увеличить отношение измеряемых концентраций изото пов по крайней мере в 10 раз. Для других атомов это увеличение еще больше, так как гелий в метастабильном состоянии имеет очень большое сечение столкновительной ионизации и возбуждения в ридберговские состоя1О ния.

Предлагаемый способ определения концентрации редкого изотопа с помощью статического масс-спектрометра позволяет увеличить отношение иэме15 . Ряемых концентраций больше, чем в

10 раэ, что позволяет проводить ана лиз изотопного состава с относительной концентрацией менее 10 1 — 10 ", 2О Формула изобретения

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

25 исследуемого вещества, ускорение образовавшихся ионов, разделение их по отношению масси к заряду в магнит ном поле и детектирование, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

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

З5 встРечным лазеРным излучением и повторно ионизуют в поперечном электри:ческом поле, 1504688

Het К1: 8a P, И, S, ia,, „„, i,„ Ð !!,*В„,, isnp зМ 1$ isn inn n8 и о ™

2 10

198Я1

cn" f

Фце. 2

Составитель В,Кащеев

Ре цактор ЛПчолинская Техред М.Дидык Корректор С Черни !

»

За!каз 5257/50 Тираж 696 Подписное

ВфИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101