一种利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法

摘要

本发明公开了一种利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：制备能够产出超级卤素负离子BeF

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速器质谱测量的方法，具体涉及一种利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，属于加速器质谱测量技术领域。

背景技术

随着加速器质谱(AMS)技术的发展，对长寿命宇宙成因核素¹⁰Be(半衰期约1.5Ma)的研究在短短几十年里得到了迅速的发展，并在地球科学、环境科学的各领域中得到了广泛的应用，例如：

1、用加速器质谱(AMS)测量¹⁰Be追溯太阳活动变化历史；

2、将加速器质谱(AMS)测量¹⁰Be数据应用于气象研究，示踪全球降水分布；

3、用加速器质谱(AMS)测量¹⁰Be确定冰川、湖泊或海洋沉积物的沉积年代及速率；

4、用加速器质谱(AMS)测量¹⁰Be以测定地表的侵蚀速率，从而应用于各类地貌面的研究；

5、将加速器质谱(AMS)测量¹⁰Be结果用于示踪和重建地磁场漂移事件及地磁场强度变化历史等领域。

对于¹⁰Be的AMS测量关键在于有效抑制同量异位素¹⁰B的干扰(¹⁰B为B的稳定同位素，其自然含量远大于长寿命放射性核素¹⁰Be)，很长一段时间内只能在能量较高的大型AMS上进行¹⁰Be测量，而随着AMS技术不断进步，在高能端利用薄膜二次剥离，致使¹⁰Be同样可以在小于3MV的AMS上进行测量。近二十年多年来¹⁰Be-AMS测量一直依赖于BeO^-离子在Cs⁺溅射离子源的稳定产出，而同样BO^-在Cs⁺溅射离子源中稳定产生致使大量的¹⁰B干扰不可避免。虽然小型AMS巧妙地利用薄膜降低了¹⁰B的干扰近500倍，但是，对于¹⁰Be束流的传输效率和品质也造成了较大损失(在6MeV能量下¹⁰Be通过500nm的SiN膜后最后加入探测器的传输率仅为30％左右，且束流品质变坏)，并且所用BeO样品在制备中存在很高的毒性。因此，对于¹⁰Be在小型AMS上测量的其它新方法仍然具有重要意义。

鉴于此，加拿大Isotrace实验室X-L.Zhao等于2004年首次研究提出利用BeF^-(单氟化铍负离子)稳定、而BF^-不稳定的特性，期望以BeF^-进行¹⁰Be的AMS测量的可能性，可是BeF^-相比BeO^-束流强度过小(减少10-50倍)，致使此方法无法较为满意地替代BeO^-进行测量。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，该方法不仅可以避免在小型AMS(＜3MV)高能端使用降能膜二次剥离，而且¹⁰Be束流的传输效率在高能端能达到100％传输，同时¹⁰Be束流的品质能够得到很好的维持。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)制备能够产出超级卤素负离子BeF₃^-的靶样品；

(二)向制备得到的靶样品中混入PbF₂粉末，然后填装入AMS测量用靶锥，在离子源中用Cs⁺离子持续轰击前述靶锥产生BeF₃^-束流；

(三)由离子源引出BeF₃^-束流，然后BeF₃^-束流通过低能端的静电分析器做初次能量筛选，接下来进入跳跃磁铁，再将BeF₃^-束流由低能端注入串列加速器，在前述串列加速器中剥离气体将分子离子击碎、¹⁰Be²⁺被加速至能量为5.97MeV，⁹Be²⁺被加速至能量为5.94MeV；

(四)¹⁰Be²⁺和⁹Be²⁺在高能端通过主分析磁铁，然后⁹Be²⁺进入可移动法拉第杯进行测量，¹⁰Be²⁺沿主束线通过；

(五)¹⁰Be²⁺沿主束线通过后直接通过主静电分析器和高能端第二块磁铁，最终进入气体探测器进行分析。

前述的利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，在步骤(一)中，前述靶样品为含Be和F的盐类。

前述的利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，在步骤(一)中，前述靶样品为BaBeF₄。

前述的利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，在步骤(二)中，BaBeF₄靶样品与PbF₂粉末按照体积比1:2-1:5的比例混合。

前述的利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，其特征在于，在步骤(三)中，前述跳跃磁铁的能量跳跃值为0V，-522V。

本发明的有益之处在于：

1、以铍的超级卤素负离子BeF₃^-作为¹⁰Be-AMS测量的引出束流(代替了传统的BeO^-作为引出束流的方式)，测量中利用了铍的超级卤素负离子BeF₃^-优越的性能，在引出阶段即有效抑制了¹⁰B的干扰，使得在小型AMS(＜3MV)、甚至紧凑型AMS(＜1MV)高能端无需再使用降能膜二次剥离的传统方法，致使¹⁰Be束流的传输效率得到了保证，在高能端能达到100％传输(原来BeO^-作为引出束流的方式高能端传输率约30％)，且无膜后束流品质不会遭到改变，维持了原有较好的束流品质，使得紧凑型AMS真正做到更加紧凑；

2、产生BeF₃^-的原始靶样品用BaBeF₄代替了传统的BeO靶样，有效避免了BeO作为气载尘埃存在很高毒性对实验人员带来的风险。

附图说明

图1是在本发明的加速器质谱测量的方法中制备BaBeF₄靶样品的流程图；

图2是本底样品在探测器的第一块阳极板的能谱图；

图3是本底样品在探测器的第二块阳极板的能谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明利用铍的超级卤素负离子进行加速器质谱测量的方法，包括以下步骤：

一、制备靶样品BaBeF₄

靶样品用于高效产出超级卤素负离子BeF₃^-，其可以是含Be和F的盐类，在本实施例中靶样品选用BaBeF₄。

参照图1，BaBeF₄靶样品的具体制备流程如下：

1、向1g黄土样品中依次加入0.5mMole ⁹Be载体、6ml H₂O₂溶液(H₂O与H₂O₂的体积比为1:1)、6ml 12M HCl，混合均匀后滤除残留物，将保留的溶液记为样品溶液A。

对残留物继续进行处理：

首先，将残留物用25ml 6M HCl浸泡24h，离心处理，将上清液与样品溶液A合并；

然后，将第二次得到的残留物用20ml二次去离子水浸泡，离心处理，将上清液与样品溶液A合并。

2、蒸干样品溶液A，然后加入2ml 1M HCl进行溶解，离心处理，留取上清液，将上清液记为样品溶液B。

3、用阳离子交换树脂处理样品溶液B，并用110ml 1M HCl进行淋洗，获得洗脱液。

4、将洗脱液加热浓缩至20ml，用氨水调pH值至8.5(pH值在8-9范围内均可)，静置；然后用NaOH调pH值至14，静置，离心处理后取上清液，再用HNO₃将上清液调至酸性，静置；最后用氨水调pH值至8.5(pH值在8-9范围内均可)，离心处理，留取沉淀，该沉淀为Be(OH)₂沉淀。

5、用1ml 0.2M HCl溶解Be(OH)₂沉淀，获得溶液，该溶液记为样品溶液C。

6、向样品溶液C中加入0.5ml 1M CsF，混匀移液，并用1ml 0.2MHCl冲洗，获得溶液，该溶液记为样品溶液D。

7、向样品溶液D中加入0.25ml 0.2M BaCl₂，然后在80℃条件下烘干，获得BaBeF₄靶样品。

在本发明的方法中，用BaBeF₄靶样品产生BeF₃^-，代替了传统的BeO靶样品，有效避免了BeO作为气载尘埃存在很高毒性对实验人员带来的风险。

二、产生BeF₃^-束流

1、向制备得到的BaBeF₄靶样品中混入PbF₂粉末，BaBeF₄靶样品与PbF₂粉末按照体积比1:3的比例混合(体积比在1:2-1:5范围内均可)，PbF₂粉末本身是一种良好的离子导体(常态时不具备导电性，但是在离子态下其具有良好的导电性)，同时，PbF₂粉末所携带的F离子可以充分提供BeF₃^-产生所需要的过量的F离子。

传统的BeO靶样品在填装过程中，按照体积比1:3混入300目的Cu粉(或其他导电性较好金属粉末)作为辅助介质，以实现靶锥的导电性能。

2、BaBeF₄靶样品与PbF₂粉末混合后填装入AMS测量用靶锥，靶锥作为靶样品的承载容器，同时也作为引出阴极存在。

3、在离子源中用6keV能量的Cs⁺离子持续轰击BaBeF₄靶样品与PbF₂粉末混合靶锥，使得PbF₂离子导体的特性得以体现，此时以PbF₂为辅助介质的溅射靶中产生BeF₃^-束流，铍的超级卤素负离子BeF₃^-电子结合能较大、较其他阴离子稳定(氟的选择是其电子亲和势为邻近元素中最强的，其质量是卤素中最小且无其他同位素或同量异位素)。

由于¹⁰Be的同量异位素¹⁰B将会被大部转化为¹⁰BF₄^-，只有少许会转化为¹⁰BF₃^-，因此，稍微过量的F离子尤为重要。

三、¹⁰Be²⁺和⁹Be²⁺在串列加速器中加速

1、由离子源引出具有35keV能量的BeF₃^-束流，然后BeF₃^-束流通过低能端的54°静电分析器做初次能量筛选，接下来进入半径为400mm、90°跳跃磁铁，90°跳跃磁铁作为动量选择并保证BeF₃^-中的⁹BeF₃^-和¹⁰BeF₃^-都可延主束线通过，因此将此磁铁的能量“跳跃”值由原BeO^-方法的0V、-1346V设定为0V、-522V，该期间束流品质由单透镜和导向调节保证。

2、将BeF₃^-束流由低能端注入串列加速器，在该串列加速器中剥离气体将BeF₃^-分子离子击碎，且剥离核素电子使Be离子最终带正电子，得以二次加速。

3、为使BeF₃^-分子离子被击碎且剥离至Be²⁺，在保持最终相同能量的情况下，将Ar剥离气体量降低至原BeO^-方法的40％(即由原来的8.3×10^-3mbar降低至3.4×10^-3mbar)，同时端电压由原来的2500kV调至2778kV，此时，¹⁰Be²⁺被加速至能量为5.97MeV，⁹Be²⁺被加速至能量为5.94MeV(原BeO^-方法的¹⁰Be²⁺的能量为5.97MeV，⁹Be²⁺的能量为5.91MeV)。

四、高能端¹⁰Be²⁺和⁹Be²⁺分离

¹⁰Be²⁺和⁹Be²⁺在高能端经过115°主分析磁铁，经过115°主分析磁铁后⁹Be²⁺进入可移动法拉第杯进行测量，而¹⁰Be²⁺沿主束线通过。

五、¹⁰Be²⁺进入气体探测器

原BeO^-方法中的出115°主分析磁铁后接二次剥离的SiN膜不再使用，而是¹⁰Be²⁺沿主束线通过后直接通过65°主静电分析器和高能端第二块30°磁铁，最终进入气体探测器进行分析。

由于二次剥离的SiN膜不再使用，使得¹⁰Be²⁺不但在高能端的传输流保证了100％，而且束流的品质也得到了保证。原两组四极透镜只需一组工作便可保持良好束流品质。

¹⁰Be²⁺进入气体探测器后，原来BeO^-方法通过SiN膜且结合65°主静电分析器和高能端第二块30°磁铁后可将B的抑制后降低10⁶倍，而本发明的方法将B的抑制后降低10⁴倍，虽然没有原方法降低的量级多，但是已经降低至探测器可分析的量级，足够¹⁰Be的测量了。

图2和图3分别显示了本底样品在探测器的第一块阳极板和第二块阳极板的能谱图。

由图2可以看出：¹⁰Be和¹⁰B的能谱区间已经完全分开，在¹⁰Be能道能并无其他干扰。

由图3可以看出：¹⁰Be和¹⁰B的能谱区间已经完全分开，而在¹⁰Be能谱区间内有其他碎片的干扰。

由于最终的测量是依据第一块阳极板和第二块阳极板符合测量的，即同时满足两个极板的区间条件的离子才会被认为是有效的¹⁰Be事件，因此，本发明的方法已经完全可以进行¹⁰Be-AMS测量。

综上所述，本发明的方法以铍的超级卤素负离子BeF₃^-作为¹⁰Be-AMS测量的引出束流(代替了传统的BeO^-作为引出束流的方式)，测量中利用了铍的超级卤素负离子BeF₃^-优越的性能，在引出阶段即有效抑制了¹⁰B的干扰，使得在小型AMS(＜3MV)高能端无需再使用降能膜二次剥离的传统方法，致使¹⁰Be束流的传输效率得到了保证，在高能端能达到100％传输(原来BeO^-作为引出束流的方式高能端传输率约30％)，且无膜后束流品质不会遭到改变，维持了原有较好的束流品质。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。