Способ определения концентрации редкого изотопа

3 150468выводятся из пучка фильтрующим кон денсатором 5, так что на входе в бес, полевую область 6 имеется толькопучок нейтральных атомов, В этой области атомы возбуждаются в ридберговское состояние и далее, влетая вполевой ионизатор 7, ионизуются электрическимм полем того же ионизатора,образовавшиеся ионы отклоняются надетектор 8,Сущность процессов состоит в сле дующем,Через выходную щель масс-спектрометра вместе с редким изотопом, который необходимо детектировать, проходят также ионы либо соседнего ос-.новного изотопа либо фоновые ионы,имеющие то же отношейие заряда к массе Практически все эти ионы нейгрализуются в перезарядной ячейке. Неперезарядившиеся ионы могут быть вы,ведены иэ пучка электрическим полем.Сечение перезарядки составляет вели-.1 чину 10 4 - 10 см, что значительно 25;атомов на выходе перезарядной ячейки имеет практически ту же расходимость, что и исходный пучок ионов, В,бесполевой области осуществляется 30возбуждение с помощью лазерного излучения с частотами 1,и 1 в ридбер- "говские состояния только целевого,редкого изотопа, Влетая в область по,левого ионизатора, эти атомы ионизу-,ются и этим же полем отклоняются на1 детектор. Так как атомы, созданные вионном источнике масс-спектрометра9имеют одинаковую энергию определяеФмую ускоряющим напряжением Б ,то завыходной щелью они имеют различную,скорость, а следовательно, различныйДоплеровский сдвиг резонансной частоты поглощения, Этот дополнительныйизотопический сдвиг существует длялюбого атомного перехода и его мож"но использовать для изотопически се".,лективного возбуждения атомов в ридберговские состояния. Селективностьвозбуждения 8, а следовательно, иувеличение по сравнению с масс-спект 50рометрическим способом измеряемогоотношения концентраций изотоповопределяется неизбежным поглощениемв линии поглощения соседнего основного изотопа. Селективность возбуж 55:дения на одной ступени лазерного воз-,буждения 8 4где д 1 ц- величина изотопическогосдвига;д 4 р - радиационная полушириналинии поглощения При двухступенчатом возбуждении обеспечивается селективность на каждой ступени, причем общая селективность 8 есть произведение селективностей8 7-" 8 8 8Для изотопов гелия 8 = 6 10" (ссс 7,17 см , лсг= 2,8 10 см 1,При использовании гелия селективность лазерного возбуждения редкого изотопа гелийограничена процессами столкновений на уровне 10 , Сле 6 довательно, измеряемое отношение кон 6 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 способа равно 10П р и м е рДетектирование изотопа галий-З.Основная трудность в определении концентрации этого изотопа связана с интерференцией от ионов с близкой массой Н+ и Н 11 и рассеянЭных ионов от изотопа,:гелий, Это ограничивает минимально детектируемую относительную концентрацию на уровне 10 - 10Для радикальногоувеличения 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 мета- стабильных 278- и 2 ъ 8-состояниях. Известно, что 3/4 атомов после переза; ". рядки находятся в триплетном 2 8"состоянии. 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 8-3 Р ( 3 щ = 3888 А). При возбуждении пучка атомов с энергией 4 кэВ величина изотопического сдвига д 4 дна этом переходе возрастает до 717 см , Резо" нансная частота поглощения смещается нри этом в красную сторону на 43 см 1 по сравнению с тепловымн атомами, Изотопический сдвиг на второ ступени возбуждения быстрых атомов стано04688 5вится 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 гелийравна 6.10 ф (ширина линии поглощения на переходе 28-ЗзР равна а 1 = 2,8Р1 О-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.-. Рлами остаточного газа в бесполевой области, Такие ридберговские атомы ионизуются в ионизаторе и отклоняются на детектор как и селективно соз",: данные атомы гелия 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 системе1 Оторр составляют одну миллионную :часть от сигнала селективной лазер- ной :ионизации. Таким образом, ис.пользование лазерной фотоионизации гелияпозволит увеличить отношение измеряемых концентраций изото пов по крайней мере в 1 Оф раз. Для других атомов зто увеличение еще больше, так как гелий в метастабильном состоянии имеет очень большое сечение столкновительной ионизации и возбуждения в ридберговские состоя ния.Предлагаемый способ определенияконцентрации редкого изотопа с помощью статического масс-спектрометра позволяет увеличить отношение иэме . ряемых концентраций больше, чем в10 раэ, что позволяет проводить ана лиз изотопного состава с относительной концентрацией менее 10 1- 10 "ф 20 Формула изобретения Способ определения концентрацииредкого изотопа с помощью масс-спектрометра, включающий ионизацию атомов 25 исследуемого вещества, ускорение образовавшихся ионов, разделение их поотношению массы к заряду в магнит ном поле и детектирование, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью З 0 повышения относительной чувствительности, перед детектированием всеионы нейтрализуют в атомы, атомы исследуемого изотопа селективно возбуждают в ридберговское состояниевстречным лазерным излучением и повторно ионизуют в поперечном электрическом поле,