Espectrometria de massa do acelerador
Desenvolvimento
Os aceleradores de partículas usados na física nuclear podem ser vistos como espectrômetros de massa de formas bastante distorcidas, mas os três elementos principais - a fonte de íons, o analisador e o detector - estão sempre presentes. LW Alvarez e Robert Cornog, dos Estados Unidos, usaram um acelerador como espectrômetro de massa pela primeira vez em 1939, quando empregaram um ciclotron para demonstrar que o hélio-3 (3 He) era estável ao invés do hidrogênio-3 (3).H), uma questão importante na física nuclear da época. Eles também mostraram que o hélio-3 era um constituinte do hélio natural. O método deles era o mesmo que o descrito acima para o omegatron, exceto pelo uso de um ciclotron de tamanho completo, que distinguia facilmente os dois isótopos. O método não foi empregado novamente por quase 40 anos; no entanto, encontrou aplicação na medição de isótopos cosmogênicos, os radioisótopos produzidos por raios cósmicos incidentes na Terra ou em objetos planetários. Esses isótopos são extremamente raros, possuindo abundância na ordem de um milhão de milionésimos do elemento terrestre correspondente, que é uma razão isotópica muito além das capacidades dos espectrômetros de massa normais. Se a meia-vida de um isótopo cosmogênico é relativamente curta, como berílio-7 (7 Be; 53 dias) ou carbono-14 (14 C; 5.730 anos), sua concentração em uma amostra pode ser determinada por contagem radioativa; mas se a meia-vida for longa, como berílio-10 (10 Be; 1,5 milhão de anos) ou cloro-36 (36 Cl; 0,3 milhão de anos), esse curso será ineficaz. A vantagem do grande espectrômetro de massa do acelerador de alta energia é a grande seletividade do detector que resulta de íons com 1.000 vezes mais energia do que qualquer máquina anteriormente disponível poderia fornecer. Os espectrômetros de massa convencionais têm dificuldade em medir abundâncias inferiores a cem milésimos do isótopo de referência, porque íons interferentes são espalhados no local do analisador onde o isótopo de baixa abundância deve ser procurado. Extremos de alto vácuo e precauções anti-espalhamento podem melhorar isso em um fator de 10, mas não no fator de 100 milhões necessário. Um acelerador sofre com esse defeito em um grau ainda maior e grandes quantidades de íons "lixo" são encontradas no local esperado do analisador para o isótopo cosmogênico. A capacidade de certos tipos de detectores de partículas nucleares de identificar o íon relevante de maneira inequívoca permite que o espectrômetro de massa do acelerador supere essa falha e funcione como uma poderosa ferramenta analítica.
Operação do acelerador eletrostático em tandem
O acelerador eletrostático em tandem (consulte o acelerador de partículas: geradores Van de Graaff) deslocou rapidamente todas as outras máquinas para esse fim, principalmente porque sua fonte de íons, a fonte de césio descrita acima, está localizada perto do potencial do solo e é facilmente acessível para a troca de amostras. Os íons devem ser negativos, mas isso não prova ser uma desvantagem, pois são produzidos de maneira fácil e eficiente. Antes de entrar no tubo de alta tensão, os íons são analisados em massa, de modo que somente o feixe emergente no local da massa do isótopo cosmogênico entre no acelerador; o intenso feixe de isótopos de referência é frequentemente medido neste local sem entrar no acelerador. O feixe de isótopo cosmogênico é atraído para o terminal de alta tensão da máquina, onde colisões com gás ou uma fina folha de carbono ou ambos separam vários números de elétrons, deixando assim o isótopo em questão com uma distribuição de múltiplos estados de carga positiva que são repelidos pelo terminal carregado positivamente. Todos os íons moleculares são quebrados. O feixe emergente passa por campos de análise dos quais um ímã de alta dispersão é a parte principal. Ao sair do analisador, o feixe entra no detector. Cada íon é examinado individualmente de uma maneira que permita que sua identidade seja estabelecida. A maneira mais comum de fazer isso é usar uma combinação de dois detectores de partículas: um detector mede a taxa na qual a partícula perde energia ao passar por um determinado comprimento de matéria, enquanto o outro mede simultaneamente a energia total da partícula. As contagens são armazenadas nas caixas de uma matriz de computador bidimensional, cujas coordenadas são dadas pelas amplitudes dos sinais dos dois detectores. Os inúmeros íons “lixo” assumem valores dos dois detectores que preenchem regiões da matriz de dados, mas geralmente não se sobrepõem à região bem definida ocupada pelo íon em questão. Cada tipo de isótopo requer um sistema de detector especialmente projetado com vários campos de análise adicionais e, em alguns casos, até o uso de técnicas de tempo de voo. Um diagrama esquemático de um espectrômetro de massa do acelerador é mostrado na Figura 8.
