我國加速器質(zhì)譜儀器技術(shù)在國際上的地位

姜 山

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.啟先核(北京)科技有限公司，北京 100144)

1 加速器質(zhì)譜(AMS)的歷史與現(xiàn)狀

1.1 AMS的發(fā)明

由于考古、地質(zhì)等學(xué)科發(fā)展的強(qiáng)烈需求，20世紀(jì)70年代末誕生了AMS[1-2]，它是一種基于加速器技術(shù)和離子探測器技術(shù)的高能同位素質(zhì)譜儀。AMS克服了傳統(tǒng)質(zhì)譜存在的分子本底和同量異位素本底干擾的問題，極大地提高了同位素豐度靈敏度(10-15)，最低探測限為104個原子，且樣品用量少(ng～μg量級)、測量時間短(min級)。因此，AMS的發(fā)明為地質(zhì)、考古、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、核科學(xué)與技術(shù)、材料等學(xué)科的深入研究提供了一種強(qiáng)有力的測量和分析手段。

AMS的發(fā)展可以追溯到1939年，Alvarez等[3]利用回旋加速器測定自然界中3He。之后的近40年中，由于重粒子探測技術(shù)和加速器束流品質(zhì)等條件的限制，一直沒有開展AMS的相關(guān)研究。隨著地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)等對14C、10Be等長壽命宇宙成因核素測量需求的不斷增強(qiáng)，為解決衰變計數(shù)方法和普通質(zhì)譜測量方法靈敏度不足的問題，1977年，Stephenson等[4]提出用回旋加速器探測14C、10Be等長壽命放射性核素。同時，美國Rochester大學(xué)的研究小組[1-2]提出了用串列加速器測量14C。加拿大McMaster大學(xué)和美國Rochester大學(xué)幾乎同時發(fā)表了用串列加速器測量自然界14C的結(jié)果。從此，AMS作為一種核分析技術(shù)迅速發(fā)展起來，直至2021年，AMS國際會議已召開14次，有180多個實驗室開展了相關(guān)工作，我國有中國原子能科學(xué)研究院[5]、北京大學(xué)、中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所和中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所(廣州)等16個實驗室的21臺AMS裝置開展或?qū)⒁_展相關(guān)工作。

AMS主要用于分析自然界長壽命、超痕量的宇宙射線成因核素，如10Be(1.5×106a)、14C(5 730 a)、26Al(7.5×105a)、32Si(172 a)、36Cl(3.0×105a)、41Ca(1.0×105a)、129I(1.6×107a)等，其半衰期在101～108a范圍內(nèi)，天體和宇宙間許多感興趣的過程正是處在這個時間范圍。作為年代計和示蹤劑，這些與宇宙射線成因有關(guān)的核素可提供自然界許多年代、運動、變化以及相互作用等信息。

1.2 AMS儀器的發(fā)展

自AMS出現(xiàn)以來，全球的AMS儀器技術(shù)發(fā)展可以劃分為3個階段。

第1階段：從20世紀(jì)70年代末到90年代初，為發(fā)展初期階段。這一時期，大多數(shù)AMS裝置是在原有用于核物理實驗研究的串列加速器基礎(chǔ)上改造而成的，其特點是：1) AMS裝置非專用，只有部分束流時間用于AMS測量；2) 加速器的能量較高，加速電壓在6～14 MV，測量費用較高；3) 由于加速器非專用，AMS系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、傳輸效率較低、測量精度較低。中國原子能科學(xué)研究院(以下簡稱“原子能院”)的13 MV[6]和北京大學(xué)的6 MV串列AMS裝置分別于80年代末和90年代初先后建成，屬于第一階段的AMS裝置。

第2階段：從20世紀(jì)90年代初到21世紀(jì)初，為專用化階段。隨著考古、地質(zhì)、環(huán)境等學(xué)科研究需求的增加，發(fā)展初期的非專用AMS裝置不能滿足用戶需求。開始出現(xiàn)AMS專用裝置，至2002年，國際上專用的AMS裝置數(shù)量接近50臺[7]。這些專用AMS裝置大多基于串列加速器，加速器的端電壓為5、3、1、0.5 MV。這一時期的特點是：1)AMS裝置專門用于14C、10Be、129I等核素的分析與應(yīng)用；2)AMS裝置用于專一應(yīng)用目的研究，如美國Woods Hole海洋研究所的NOSAMS裝置[8]主要用于海洋學(xué)研究，英國York大學(xué)建立的5 MV AMS裝置專門用于藥物研究[9]，奧地利維也納大學(xué)建立的3 MV AMS裝置專門用于多種核素測量方法的研究。

第3階段：近20年來，為小型化和標(biāo)準(zhǔn)化階段。無論是第1階段還是第2階段的AMS裝置，都因設(shè)備龐大、運行維護(hù)費用高而難以開展廣泛的應(yīng)用。本世紀(jì)初，AMS裝置迅速向緊湊型和低成本、小型化、簡單化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。在小型化方面，美國NEC公司推出一種新的AMS系統(tǒng)，即基于250 kV單級靜電加速器的AMS系統(tǒng)(SSAMS)[10]；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的AMS實驗室與美國NEC公司合作研制的端電壓200 kV專用于14C定年的“桌面”AMS系統(tǒng)[11]；原子能院與啟先核科技有限公司(以下簡稱“啟先科技”)合作，于2017年和2018年先后建成了國際上最小的150 kV14C單極靜電AMS和國際上最小的350 kV重核素AMS系統(tǒng)。

對于AMS儀器的標(biāo)準(zhǔn)化，針對36Cl、41Ca和32Si等具有較強(qiáng)同量異位素干擾核素的測量，2000年以前都是采用基于5 MV的AMS專用裝置。2004年，姜山[12]經(jīng)過理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于5 MV的AMS測量36Cl和41Ca等核素，在能量上屬于臨界狀態(tài)，提出采用6 MV的串列加速器更合理，結(jié)果也更理想，即如果作為1個多核素(輕核、中重核和重核素)測量研究的AMS裝置，6 MV的串列AMS是最理想的裝置，該觀點立即得到國際上的認(rèn)同。目前，國際上已有的大型多核素測量AMS裝置全部都是6 MV。

1.3 AMS儀器的新技術(shù)與發(fā)展方向

從2010年以來出現(xiàn)了AMS新技術(shù)，可稱為第4個階段，即新型和超小型化階段。新型AMS有了較大創(chuàng)新，擺脫了傳統(tǒng)AMS所用的負(fù)離子源、剝離器系統(tǒng)和串列加速器等核心部件，采用正離子源、低能加速段(30～300 kV)，乃至取消加速器等儀器技術(shù)。通過改進(jìn)核心部件和重新設(shè)計系統(tǒng)，使AMS向小型化和高靈敏度的方向發(fā)展。這一階段代表性的儀器有3種：一是基于正離子源的質(zhì)譜系統(tǒng)(positive ion mass spectrometry, PIMS)；二是基于多電荷態(tài)的電子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)電離器的AMS系統(tǒng)，即ECR-AMS；三是基于多電荷態(tài)電離器的質(zhì)譜系統(tǒng)，即ECR-MS。

PIMS是由英國格拉斯哥大學(xué)的Freaman聯(lián)合美國NEC公司和法國Pantenik研究所于2015年提出的14C專用測量系統(tǒng)[13]，其結(jié)構(gòu)示于圖1。該系統(tǒng)采用CO2進(jìn)樣，利用單電荷態(tài)ECR源將CO2電離成C+離子，然后將離子加速到30 keV或60 keV后，隨即穿過異丁烷氣體將C+離子轉(zhuǎn)換為C-離子(以此排除同量異位素N+離子)，同時將分子離子瓦解，再利用磁分析器和靜電分析器排除各種干擾后，用面壘型半導(dǎo)體探測器對14C進(jìn)行測定。PIMS不需要加速器，這使得設(shè)備更加小型化。其主要優(yōu)點是氣體進(jìn)樣，不需要制備石墨化樣品。不足之處是：30 kV的14C+離子難以較好地排除分子離子干擾；離子電荷轉(zhuǎn)換(正離子轉(zhuǎn)化為負(fù)離子)穿過氣體時，負(fù)離子的轉(zhuǎn)換效率較低。這兩個問題導(dǎo)致PIMS的豐度靈敏度限制在10-15。

圖1 PIMS方法測量放射性碳的系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of radiocarbon measurement system by PIMS method

從分析需求來看，目前和將來的若干年，國際AMS儀器技術(shù)將向以下幾個方向發(fā)展：1) 繼續(xù)小型化發(fā)展，使AMS儀器的尺寸趨于MS尺寸，達(dá)到小于(3×2) m2的范圍；2) 向更高的測量靈敏度發(fā)展，需要從目前的10-15提高到10-16～10-17，探測限達(dá)到100～1 000個原子；3) 提高測量精度，測量靈敏度不需要很高，對于同位素豐度在10-2～10-8范圍時，需要測量精度在0.1%～0.001%范圍內(nèi)；4) 提高測量速度，實現(xiàn)快速、在線測量，從取樣、進(jìn)樣、測量到給出結(jié)果的總時間在1～30 min范圍內(nèi)。這些技術(shù)的發(fā)展必將極大地推動科學(xué)大幅度的發(fā)展，同時促使儀器的市場需求大幅度增長。

2 我國AMS儀器技術(shù)的發(fā)展

早年，我國AMS儀器技術(shù)研究緊跟國際AMS儀器的發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，原子能院的蔣崧生研究員跟隨國際AMS步伐，開始了我國AMS的研究工作，利用2.5 MV靜電加速器實現(xiàn)了重水中氚豐度的測量[14]，促進(jìn)了我國AMS儀器技術(shù)的發(fā)展。

2.1 第一臺AMS系統(tǒng)

我國第一臺AMS裝置是原子能院的HI-13 AMS。該裝置是基于原子能院20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)的一臺HI-13串列加速器，于1988年建成了我國第一臺AMS裝置[5]，示于圖2。在蔣崧生和姜山的帶領(lǐng)下，發(fā)展了我國AMS儀器上的靜電分析器技術(shù)、磁分析器技術(shù)、氣體探測器技術(shù)和高質(zhì)量分辨的注入器系統(tǒng)等，與此同時，開展了36Cl和10Be的測量方法和應(yīng)用研究工作。其中，1990年測量錳結(jié)核中10Be剖面分布的實驗數(shù)據(jù)，為我國獲準(zhǔn)在中太平洋C-C區(qū) 30萬平方公里海底資源開采權(quán)提供了關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)。

圖2 中國原子能科學(xué)研究院的AMS系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of the CIAE-AMS system

北京大學(xué)基于一臺6 MV的串列加速器，在陳佳洱先生和郭之虞、劉克新的帶領(lǐng)下，于1992年建成了我國第一臺專門用于14C的AMS裝置[15]，并利用這臺裝置開展了14C定年，為我國夏商周的準(zhǔn)確定年做出了重要貢獻(xiàn)。本世紀(jì)初與瑞士物理研究院(PSI)的Suter合作，在0.5 MV的AMS上經(jīng)改造升級，利用能量吸收膜技術(shù)排除了同量異位素10B的干擾，首次用最小的AMS實現(xiàn)了沉積物樣品中10Be的測量。

幾乎與北京大學(xué)同時，上海原子核所的陳茂伯帶領(lǐng)團(tuán)隊基于一個很小的回旋加速器，開展了小型AMS系統(tǒng)的研究。經(jīng)過近10年的努力，在注入器、加速器和探測器等方面取得了多項進(jìn)展，回旋加速器倍加速離子的能量離散計較大，在測量14C/12C豐度比值上，由于系統(tǒng)的測量精度偏大而導(dǎo)致該AMS儀器研發(fā)處于停滯狀態(tài)。

值得一提的是，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所周衛(wèi)健團(tuán)隊在3 MV AMS系統(tǒng)的負(fù)離子濺射電離器上開展了多項有意義的研究和探索，如氣體進(jìn)樣的在線測量、129I無載體和顆粒物的直接測量。

2.2 AMS小型化技術(shù)

自從大型HI-13串列加速器AMS建成后，原子能院的AMS研究團(tuán)隊一直沒有停止對儀器和核心部件的研發(fā)，包括離子源、注入器、加速管、靜電分析器、磁分析器、飛行時間探測器和氣體探測器等。進(jìn)入21世紀(jì)以來，開始了對AMS系統(tǒng)小型化的研究。繼2006年提出6 MV的AMS作為一個標(biāo)準(zhǔn)型號儀器之后 ，2012年姜山提出了專用于重核素測量的最小型350 kV AMS系統(tǒng)[16]，2018年年底，由原子能院和啟先核科技有限公司合作，這臺國際上最小的重核素350 kV AMS裝置在原子能院建成，示于圖3。2015～2017年，在北京市科委的支持下，由國家“千人計劃專家”崔大慶和姜山共同主持，在原子能院建成了國際上最小的150 kV14C專用AMS裝置，示于圖4。該裝置測量236U、240/239Pu和237Np等重核素的最低探測限能夠達(dá)到105～106個原子。

圖3 小型重核素2×350 kV AMS系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Picture of 2×350 kV AMS system for heavy nuclein

圖4 原子能院150 kV 14C AMS專用系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.4 Picture of CIAE 150 kV 14C AMS system

2.3 基于多電荷態(tài)電離器的AMS

國際上第一個采用多電荷態(tài)ECR電離器開展AMS實驗研究的是2000年美國Argonne國家實驗室，Collon等[17]利用高電荷態(tài)的ECR離子源在大型回旋加速器(k1200)上開展AMS測量惰性氣體81Kr和39Ar的方法學(xué)研究，首次實現(xiàn)了AMS對惰性氣體的測量，表明ECR與AMS相連是可行的。2018年，姜山等根據(jù)核科學(xué)、地學(xué)、考古應(yīng)用對AMS儀器的需求，充分認(rèn)識到目前AMS儀器上存在的不足，根據(jù)國內(nèi)外電離器的發(fā)展，尤其是多電荷態(tài)電離器的不斷完善，首次提出基于多電荷態(tài)ECR電離器的AMS[18]和MS專用系統(tǒng)ECR-AMS和ECR-MS，即超強(qiáng)電離質(zhì)譜。

目前，有美國國家靜電公司(NEC)、荷蘭高壓工程歐洲分公司(HVEE)、瑞士工程科學(xué)儀器公司(Ionplus)和中國啟先核(北京)科技有限公司從事AMS儀器研發(fā)與制作，其基本情況列于表1。

表1 國際上四家公司的AMS產(chǎn)品和技術(shù)特點Table 1 AMS products and technical features of four companies in the world

3 超強(qiáng)電離質(zhì)譜學(xué)原理與儀器技術(shù)

超強(qiáng)電離質(zhì)譜學(xué)的出現(xiàn)將為解決人類百萬年以來的考古定年(41Ca等核素定年)，在自然界中尋找超重核素，實現(xiàn)39Ar、85Kr和133Xe等惰性氣體的測量，獲取重要的極其微小截面的核反應(yīng)數(shù)據(jù)(核天體、核測試等)，醫(yī)學(xué)診斷與病理學(xué)研究，實現(xiàn)同位素材料、半導(dǎo)體材料和超純金屬材料等重要的科學(xué)與技術(shù)問題帶來更先進(jìn)的測量方法。

3.1 超強(qiáng)電離質(zhì)譜學(xué)原理

我們把電離器中具有極強(qiáng)電離作用的過程稱為超強(qiáng)電離，能量在103～106eV之間，作用后能夠產(chǎn)生多個電荷態(tài)離子，q≥+2，包括+2、+3、+4，乃至全剝離電荷態(tài)?；诔瑥?qiáng)電離作用的電離器被稱為超強(qiáng)電離器，其特點是電離器能夠產(chǎn)生束流較強(qiáng)的多電荷態(tài)離子。

到目前為止，從電離的作用能角度劃分，有軟電離、強(qiáng)電離(或稱硬電離)和超強(qiáng)電離3種電離機(jī)制。軟電離使分子(包括小分子和大分子)測量成為現(xiàn)實；強(qiáng)電離用于同位素質(zhì)譜和無機(jī)質(zhì)譜測量，成為元素測量的電離手段；超強(qiáng)電離將成為核素質(zhì)譜測量的必要手段。3種電離作用質(zhì)譜儀的特性比較結(jié)果列于表2。

表2 3種電離作用質(zhì)譜儀的特性比較Fig.2 Comparation of the three different ionization effects

具有軟電離作用的電離器有電噴霧電離(ESI)、基質(zhì)輔助激光解吸(MALDI)和化學(xué)電離(CI)等；具有強(qiáng)電離作用的電離器有電感耦合等離子體(ICP)、熱表面電離(TI)、次級離子電離(SIMS)和電子轟擊型(EI)等；具有超強(qiáng)電離作用的電離器有ECR、電子束離子阱(EBIT)、潘寧(PIG)和激光電離等。

3.2 結(jié)構(gòu)、特點與技術(shù)指標(biāo)

具備超強(qiáng)電離的電離器有多種，我們首先采用多電荷態(tài)ECR作為AMS離子源，即ECR-AMS。

AMS和ECR-AMS裝置結(jié)構(gòu)對比圖示于圖5，在結(jié)構(gòu)上有以下4點不同：

圖5 AMS(a)和ECR-AMS(b)裝置結(jié)構(gòu)對比圖Fig.5 Construction comparation of AMS (a) and ECR-AMS (b)

1) 離子源不同。AMS采用負(fù)離子濺射離子源，ECR-AMS采用多電荷態(tài)的正離子源，即多電荷態(tài)的ECR離子源。

2) 加速器不同。AMS采用串列靜電加速器，具有電子剝離系統(tǒng)，導(dǎo)致束流傳輸效率降低。ECR-AMS采用單極靜電加速器，沒有電子剝離系統(tǒng)，傳輸效率明顯提高。

3) 系統(tǒng)復(fù)雜程度不同。ECR-AMS有3點比AMS簡單：第1點是加速器簡單，用單極靜電加速器代替了串列靜電加速器；第2點是取消了AMS上用的電子剝離器系統(tǒng)；第3點是取消了快交替注入和交替測量系統(tǒng)。

4) 儀器尺寸不同。一方面，由于ECR-AMS取消了剝離器，以及用單極靜電加速器代替串列加速器；另一方面，對于離子的分析都是針對多電荷態(tài)離子，因此所用的磁分析器和靜電分析器等結(jié)構(gòu)尺寸都明顯縮小(磁鐵和靜電分析器的偏轉(zhuǎn)半徑與質(zhì)荷比m/z成正比)，與相同加速電壓的AMS相比，ECR-AMS的占地面積能夠縮小2～3倍。

ECR-AMS裝置的總體結(jié)構(gòu)包括以下幾個主要系統(tǒng)：

1) 電離器與注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多電荷態(tài)ECR電離器，1個預(yù)加速段和1個磁分析器。

2) 單極靜電加速器系統(tǒng)。單極靜電加速器是AMS的核心系統(tǒng)之一，以保證待測核素有足夠高的能量，有效開展同量異位素的粒子鑒別。

3) 高能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括高能量分辨的靜電分析器、ΔE能量吸收膜、高動量分辨的磁分析器和第2個高能量分辨的靜電分析器。

4) 離子探測與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括氣體電離室、飛行時間(TOF)探測器、電子學(xué)部件和計算機(jī)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)分析部件。

5) 自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器和控制軟件實現(xiàn)對上述各系統(tǒng)的工作自動控制。

3.3 主要特點

ECR-AMS的特點主要體現(xiàn)在ECR電離器上，其具有束流強(qiáng)和引出多電荷態(tài)時無分子本底干擾等優(yōu)點。另外，多電荷態(tài)離子得到的能量高，一方面有利于排除同量異位素的干擾，另一方面質(zhì)荷比小，使ECR-AMS系統(tǒng)小型化。具體特點如下：

1) 多電荷態(tài)(電荷態(tài)大于3+)的ECR電離器無分子本底和分子碎片本底干擾，且具有降低同量異位素本底的能力，一般可以降低幾倍到百倍。

2) 多電荷態(tài)的ECR電離器束流強(qiáng)。ECR離子源的電離效率高、束流強(qiáng)，束流強(qiáng)度比濺射負(fù)離子高10～100倍，且具有能量離散小等特點。

3) 采用單極靜電加速器，去掉了電子剝離系統(tǒng)，傳輸效率明顯提高。ECR-AMS束流傳輸效率比AMS高2～10倍。

4) 降低儀器固有本底。多電荷態(tài)離子經(jīng)過加速后，能夠得到較高的離子能量，有利于降低同量異位素本底。另外，采用單級靜電加速器，能夠避免串列加速器上存在的電荷交換本底等。

5) 降低制樣本底。ECR離子源氣體進(jìn)樣最大限度減少了制樣本底和濺射負(fù)離子源本底等。

6) 大幅度降低電離器的污染和同位素分餾效應(yīng)，使得絕對測量同位素豐度和雜質(zhì)含量成為可能。

7) 實現(xiàn)同位素同時測量，用其取代了AMS的同位素交替測量，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

與AMS相比，ECR-AMS在束流強(qiáng)度和束流傳輸效率方面能夠提高10倍以上。如果在儀器本底水平和制樣本底水平上都能降低10倍以上，其豐度靈敏度就可以提高10～100倍，進(jìn)入10-16～10-17范圍，最低探測限為1 00～1 000個原子，測量精度提高3～10倍。

3.4 原理驗證實驗

2018年，由啟先科技公司、原子能院和中科院近代物理研究所三家合作，開展了ECR-AMS的原理驗證。用ECR離子源引出Be和B，實驗?zāi)康挠?個：一個是得到Be穩(wěn)定同位素9Be的束流強(qiáng)度；另一個是得到在ECR離子源內(nèi)能夠壓低干擾本底同量異位素10B的能力。該實驗得到了較理想的結(jié)果，與傳統(tǒng)AMS實驗結(jié)果的比較情況列于表3。

表3 ECR電離器與AMS的負(fù)離子電離器引出9Be和10B的實驗數(shù)據(jù)比較Table 3 Compared with beam intensity between ionizer of AMS and ECR-AMS

可見，ECR電離器的束流強(qiáng)度和束流傳輸效率總計比AMS的高20倍以上。相對于9Be束流，AMS負(fù)離子源不具備壓低10B的能力, 而ECR電離器具備壓低10B 100倍的能力。

3.5 ECR-AMS的應(yīng)用

ECR-AMS是氣體進(jìn)樣，由于測量豐度靈敏度的提高，其測量和應(yīng)用范圍都將大幅度增加。

1) 能夠開展惰性氣體的測量。傳統(tǒng)AMS不能實現(xiàn)惰性氣體的測量，原因是AMS采用負(fù)離子源，惰性氣體不能得到電子而形成負(fù)離子。實現(xiàn)惰性氣體的測量為核設(shè)施流出物的測量和核核查提供了手段。

2) 能夠開展更深入和廣泛的科學(xué)研究。最重要的有4點：第一，能夠?qū)崿F(xiàn)41Ca的考古定年；第二，能夠?qū)?4C定年范圍從目前的1～5萬年提高到1～8萬年，甚至更寬的范圍；第三，能夠?qū)崿F(xiàn)10Be-26Al、K-Ar和Re-Os等的同時準(zhǔn)確測量；第四，能夠提高3H、10Be、36Cl、和129I等核素的測量靈敏度，從而擴(kuò)大應(yīng)用范圍的廣度和深度。

3) 能夠增加放射性核素的測量種類。針對放射性核素，傳統(tǒng)AMS適用于長壽命的測量，一般半衰期大于10天的核素(如7Be)用AMS測量具有明顯的優(yōu)勢。而對于中、短壽命的核素，采用直接放射性測量方法具有優(yōu)勢。由于ECR-AMS的靈敏度能夠提高10～100倍，因此可以測量中、長壽命的核素，即半衰期大于 1天(甚至1 h)的核素，為核數(shù)據(jù)測量、半導(dǎo)體材料和超純金屬材料以及核工程材料測試等提供了新的分析手段。

4) 能夠擴(kuò)大應(yīng)用場景。由于氣體進(jìn)樣和儀器小型化，該儀器可以離開實驗室，用于開展現(xiàn)場在線測量或快速檢驗，作為超高靈敏監(jiān)測/檢測儀器應(yīng)用于環(huán)境、食品、核設(shè)施安全等領(lǐng)域，尤其能夠為健康與醫(yī)療提供新藥研發(fā)、臨床檢驗(如，“一口氣”診斷等)、病理學(xué)研究等測量方法。目前，啟先科技正在研發(fā)用于診斷生物質(zhì)燃燒、生物質(zhì)塑料、生物質(zhì)建筑材料等的小型快速質(zhì)譜儀，即生物源ECR-MS，其將成為碳達(dá)峰和碳中和的關(guān)鍵測量儀器之一。

5) ECR-AMS去掉加速器A后，就成為同位素MS和無機(jī)MS，出現(xiàn)新的MS，即同位素ECR-MS和無機(jī)ECR-MS。由于沒有分子離子的干擾，其測量靈敏度會大幅度提高。例如，同位素ECR-MS的豐度靈敏度能夠達(dá)到10-11～10-13，比傳統(tǒng)同位素質(zhì)譜的10-8豐度靈敏度提高了1 000倍以上，測量精度提高10倍以上。完全覆蓋了傳統(tǒng)MS的10-8和AMS的10-15之間的測量空白區(qū)域。

從儀器發(fā)展角度來看，每一種新的儀器也會存在新的問題。ECR-AMS主要問題是由于離子源引出多電荷態(tài)，在傳輸過程中存在相同質(zhì)荷比離子的干擾。例如，測量10Be4+時，存在15Ne6+、20Na8+等干擾，因為它們具有與10Be4+相同的質(zhì)荷m/z2.5。測量中可以使用2個方法把它們排除掉：第一，在高能端離子穿過吸收膜后選擇10Be3+，電荷態(tài)從4+變?yōu)?+，m/z變成了10/3=3.33，這時，原來具有相同質(zhì)荷比的離子絕大部分將被排除(質(zhì)荷比變化和能量變化)；第二，少量(低于10-13)離子，如20Na6+可能進(jìn)入探測器，由于20Na6+和10Be3+在能量上存在較大差異(1倍左右)，探測器能夠很容易地把它們完全區(qū)分開，能夠壓低103倍以上。

ECR-AMS系統(tǒng)的工業(yè)化樣機(jī)由啟先科技公司、原子能院和近代物理研究所等單位合作，目前正處于研制中，預(yù)計能夠在2022年開始測試并開展應(yīng)用。

4 結(jié)束語

我國AMS經(jīng)歷了近40年的發(fā)展，在儀器技術(shù)上，前20年都屬于跟跑階段。2010年以來，原子能院AMS團(tuán)隊的小型化研究在國際上占有一席之地。2018年以來，我們提出并率先在國際上開展的超強(qiáng)電離質(zhì)譜學(xué)已經(jīng)完成了原理驗證實驗，目前正在建設(shè)工業(yè)化樣機(jī)。ECR-AMS和ECR-MS，包括同位素ECR-MS(Iso)和無機(jī)ECR-MS(Ino)，由于具有儀器本底小、總效率高、束流強(qiáng)、同位素分餾效應(yīng)低和電離器沾污低等優(yōu)點，將會顯著提高測量靈敏度、精度和速度，也將在核工業(yè)、地質(zhì)、考古、環(huán)境和醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在過去的100多年里，國際上質(zhì)譜學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了“強(qiáng)電離時代”和“軟電離時代”，這兩個時代都是由西方人引領(lǐng)的?，F(xiàn)在我們正在發(fā)明和發(fā)展“超強(qiáng)電離時代”，這個時代必將由我們中國人來引領(lǐng)。