Spectrométrie de masse accélératrice
Développement
Les accélérateurs de particules utilisés en physique nucléaire peuvent être considérés comme des spectromètres de masse de formes plutôt déformées, mais les trois éléments principaux - la source d'ions, l'analyseur et le détecteur - sont toujours présents. LW Alvarez et Robert Cornog des États-Unis ont utilisé pour la première fois un accélérateur comme spectromètre de masse en 1939 lorsqu'ils ont utilisé un cyclotron pour démontrer que l'hélium-3 (3 He) était stable plutôt que l'hydrogène-3 (3H), une question importante en physique nucléaire à l'époque. Ils ont également montré que l'hélium-3 était un constituant de l'hélium naturel. Leur méthode était la même que celle décrite ci-dessus pour l'omégatron, sauf qu'un cyclotron de taille normale était utilisé et qu'il distinguait facilement les deux isotopes. La méthode n'a plus été utilisée pendant près de 40 ans; cependant, il a trouvé une application dans la mesure des isotopes cosmogéniques, les radioisotopes produits par les rayons cosmiques incident sur la Terre ou les objets planétaires. Ces isotopes sont extrêmement rares, ayant des abondances de l'ordre du million millionième de l'élément terrestre correspondant, ce qui est un rapport isotopique bien au-delà des capacités des spectromètres de masse normaux. Si la demi-vie d'un isotope cosmogène est relativement courte, comme le béryllium-7 (7 Be; 53 jours) ou le carbone-14 (14 C; 5 730 ans), sa concentration dans un échantillon peut être déterminée par comptage radioactif; mais si la demi-vie est longue, comme le béryllium-10 (10 Be; 1,5 million d'années) ou le chlore-36 (36 Cl; 0,3 million d'années), un tel cours est inefficace. L'avantage du grand spectromètre de masse à accélérateur à haute énergie est la grande sélectivité du détecteur qui résulte des ions ayant 1000 fois plus d'énergie que n'importe quelle machine précédemment disponible. Les spectromètres de masse conventionnels ont du mal à mesurer des abondances inférieures au cent millième de l'isotope de référence, car les ions parasites sont dispersés à l'emplacement de l'analyseur où l'isotope de faible abondance doit être recherché. Des conditions extrêmes de vide poussé et de précautions contre la diffusion peuvent améliorer cela d'un facteur 10 mais pas du facteur 100 millions requis. Un accélérateur souffre de ce défaut à un degré encore plus grand, et de grandes quantités d'ions «déchets» se trouvent à l'emplacement prévu de l'analyseur de l'isotope cosmogénique. La capacité de certains types de détecteurs de particules nucléaires d'identifier sans équivoque l'ion pertinent permet au spectromètre de masse de l'accélérateur de surmonter cette lacune et de fonctionner comme un puissant outil d'analyse.
Fonctionnement de l'accélérateur électrostatique tandem
L'accélérateur électrostatique en tandem (voir accélérateur de particules: générateurs Van de Graaff) a rapidement déplacé toutes les autres machines à cet effet, principalement parce que sa source d'ions, la source de pulvérisation de césium décrite ci-dessus, est située près du potentiel du sol et est facilement accessible pour changer d'échantillons. Les ions doivent être négatifs, mais cela ne s'avère pas être un handicap car ils sont produits facilement et efficacement. Avant d'entrer dans le tube haute tension, les ions sont analysés en masse de sorte que seul le faisceau émergeant à l'emplacement de masse de l'isotope cosmogénique pénètre dans l'accélérateur; le faisceau isotopique de référence intense est souvent mesuré à cet endroit sans entrer du tout dans l'accélérateur. Le faisceau isotopique cosmogène est attiré vers la borne haute tension de la machine où les collisions avec du gaz ou une mince feuille de carbone ou les deux dépouillent un nombre d'électrons divers, laissant ainsi le sujet isotope avec une distribution de multiples états de charge positifs qui sont repoussés par le borne chargée positivement. Tous les ions moléculaires sont brisés. Le faisceau émergent passe ensuite à travers des champs d'analyse dont un aimant à forte dispersion est la partie principale. En quittant l'analyseur, le faisceau entre dans le détecteur. Chaque ion est examiné individuellement d'une manière qui permet d'établir son identité. La façon la plus courante de le faire est d'utiliser une combinaison de deux détecteurs de particules: un détecteur mesure la vitesse à laquelle la particule perd de l'énergie lorsqu'elle passe une longueur donnée de matière, tandis que l'autre mesure simultanément l'énergie totale de la particule. Les comptages sont stockés dans les bacs d'un réseau informatique bidimensionnel, dont les coordonnées sont données par les amplitudes des signaux des deux détecteurs. Les nombreux ions «poubelle» prennent des valeurs des deux détecteurs qui remplissent les régions du réseau de données mais ne chevauchent généralement pas la région bien définie occupée par l'ion sujet. Chaque type d'isotope nécessite un système de détection spécialement conçu avec divers champs d'analyse supplémentaires et, dans certains cas, même l'utilisation de techniques de temps de vol. Un diagramme schématique d'un spectromètre de masse à accélérateur est illustré à la figure 8.
