Spektrometri jisim pemecut
Pembangunan
Pemecut zarah yang digunakan dalam fizik nuklear dapat dilihat sebagai spektrometer massa bentuk yang agak terdistorsi, tetapi tiga elemen utama — sumber ion, penganalisis, dan pengesan — selalu ada. LW Alvarez dan Robert Cornog dari Amerika Syarikat pertama kali menggunakan pemecut sebagai spektrometer massa pada tahun 1939 ketika mereka menggunakan siklotron untuk menunjukkan bahawa helium-3 (3 He) stabil berbanding hidrogen-3 (3H), satu persoalan penting dalam fizik nuklear pada masa itu. Mereka juga menunjukkan bahawa helium-3 adalah penyusun helium semula jadi. Kaedah mereka sama seperti yang dijelaskan di atas untuk omegatron kecuali bahawa siklotron berukuran penuh digunakan, dan dengan mudah membezakan kedua isotop tersebut. Kaedah ini tidak digunakan lagi selama hampir 40 tahun; namun, ia telah menemukan aplikasi dalam mengukur isotop kosmogenik, radioisotop yang dihasilkan oleh kejadian sinar kosmik di Bumi atau objek planet. Isotop-isotop ini sangat jarang terjadi, dengan banyaknya urutan satu juta juta unsur terestrial yang sesuai, yang merupakan nisbah isotop jauh melebihi kemampuan spektrometer jisim normal. Sekiranya jangka hayat isotop kosmogenik agak pendek, seperti berilium-7 (7 Be; 53 hari) atau karbon-14 (14 C; 5,730 tahun), kepekatannya dalam sampel dapat ditentukan dengan pengiraan radioaktif; tetapi jika jangka hayatnya panjang, seperti berilium-10 (10 Be; 1,5 juta tahun) atau klorin-36 (36 Cl; 0,3 juta tahun), kursus seperti itu tidak berkesan. Kelebihan spektrometer jisim pemecut bertenaga tinggi adalah selektiviti pengesan yang hebat yang dihasilkan daripada ion yang mempunyai tenaga 1.000 kali lebih banyak daripada yang dapat disediakan mesin sebelumnya. Spektrometer jisim konvensional menghadapi kesukaran untuk mengukur banyaknya kurang dari seratus ribu isotop rujukan, kerana ion gangguan tersebar ke lokasi penganalisis di mana isotop berlimpah rendah hendak dicari. Langkah berjaga-jaga dengan vakum tinggi dan antikulat dapat meningkatkannya dengan faktor 10 tetapi bukan faktor 100 juta yang diperlukan. Pemecut mengalami kerosakan ini hingga tahap yang lebih besar, dan sejumlah besar ion "sampah" dijumpai di lokasi penganalisis yang diharapkan dari isotop kosmogenik. Keupayaan beberapa jenis pengesan zarah nuklear untuk mengenal pasti ion yang relevan dengan jelas membolehkan spektrometer jisim pemecut mengatasi kekurangan ini dan berfungsi sebagai alat analisis yang kuat.
Pengoperasian pemecut elektrostatik tandem
Pemecut elektrostatik tandem (lihat pemecut zarah: penjana Van de Graaff) dengan cepat menukar semua mesin lain untuk tujuan ini, terutamanya kerana sumber ionnya, sumber spesis cesium yang dijelaskan di atas, terletak berhampiran dengan potensi tanah dan mudah diakses untuk menukar sampel. Ion mesti negatif, tetapi ini tidak terbukti menjadi kekurangan kerana dihasilkan dengan mudah dan cekap. Sebelum memasuki tiub voltan tinggi, ion dianalisis secara massa sehingga hanya sinar yang muncul di lokasi jisim isotop kosmogenik yang memasuki pemecut; rasuk isotop rujukan yang intens sering diukur di lokasi ini tanpa memasuki pemecut sama sekali. Rasuk isotop kosmogenik tertarik ke terminal voltan tinggi mesin di mana perlanggaran dengan gas atau kerajang karbon nipis atau kedua-duanya melucutkan pelbagai bilangan elektron, sehingga meninggalkan isotop subjek dengan pengedaran beberapa keadaan cas positif yang ditolak oleh terminal bercas positif. Semua ion molekul dipecah. Rasuk yang muncul kemudian melewati bidang analisis yang mana magnet penyebarannya tinggi adalah bahagian utama. Setelah meninggalkan penganalisis, pancaran memasuki pengesan. Setiap ion diperiksa secara individu dengan cara yang membolehkan identitinya dibentuk. Cara yang paling biasa untuk melakukan ini adalah dengan menggunakan gabungan dua pengesan zarah: satu pengesan mengukur kadar di mana zarah kehilangan tenaga ketika melewati panjang jirim tertentu, sementara yang lain mengukur tenaga total zarah. Kiraan disimpan di tong sampah dua dimensi komputer, koordinatnya diberikan oleh amplitud isyarat dari dua pengesan. Ion "sampah" banyak mengambil nilai dari dua pengesan yang mengisi kawasan larik data tetapi secara amnya tidak bertindih dengan kawasan yang ditentukan dengan baik yang diduduki oleh ion subjek. Setiap jenis isotop memerlukan sistem pengesan yang dirancang khas dengan pelbagai bidang analisis tambahan dan, dalam beberapa kes, bahkan penggunaan teknik waktu-penerbangan. Gambarajah skematik spektrometer jisim pemecut ditunjukkan dalam Rajah 8.
