一门十分活跃的核分析技术_加速器质谱AMS最新进展
超高灵敏加速器质谱技术及应用进展

超高灵敏加速器质谱技术及应用进展姜山【摘要】加速器质谱(AMS)诞生于20世纪70年代末,是一种基于加速器和离子探测器的高能质谱,其克服了传统质谱存在的分子本底、同量异位素本底干扰的限制,对同位素丰度测量灵敏度从传统质谱的10-8提高至10-15量级.目前,AMS仪器研发向更加小型化、更高灵敏度方向发展.仪器小型化是在保持测量丰度灵敏度(10-15)的前提下,使AMS仪器与传统MS仪器的体积相似,且可以实现现场在线测量;超高灵敏度是使测量的丰度灵敏度从目前的10-15提高至10-16~10-17.由于仪器小型化和高灵敏度的发展趋势,AMS的应用范围不断扩大,涉及核科学、核能与核安全、环境与资源、生物医学、考古、地质和材料科学等领域.本文综述了近年来AMS技术及其应用进展情况,并对该技术的发展前景进行了展望.【期刊名称】《质谱学报》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】15页(P401-415)【关键词】加速器质谱(AMS);进展;应用;综述【作者】姜山【作者单位】启先核科技有限公司,北京 102413;中国原子能科学研究院,北京102413【正文语种】中文【中图分类】O657.6320世纪70年代末诞生的加速器质谱(accelerator mass spectrometry, AMS)[1-2]是一种基于加速器和离子探测器的高能质谱,其克服了传统质谱的分子本底和同量异位素本底干扰的限制,具有极高的同位素丰度灵敏度(可达10-15),且样品用量少(ng量级)、测量时间短。
因此,AMS为地质、海洋、考古、环境等许多学科研究的深入发展提供了一种强有力的测试手段。
AMS的发展可以追溯到1939年,Alvarez等[3]利用回旋加速器测定自然界中3He。
之后的近40年中,由于重粒子探测技术和加速器束流品质等条件的限制,一直没有开展关于AMS的研究。
随着地质学、考古学等对14C、10Be等长寿命宇宙成因核素测量需求的不断增强,为解决衰变计数方法和普通质谱测量方法测量灵敏度不够高的问题,1977年,Stephenson等[4]提出用回旋加速器探测14C、10Be等长寿命放射性核素。
质谱技术研究进展

质谱技术研究进展一、概述作为现代分析科学的重要支柱之一,其发展历程源远流长且充满创新。
自1912年英国物理学家Joseph John Thomson成功研制出世界上第一台质谱仪以来,质谱技术已经走过了一个多世纪的历程。
在这段时间里,质谱技术不断突破和创新,从最初的同位素分析,到后来的有机物质分析,再到生物质谱的飞速发展,其应用领域也在不断拓宽。
随着科技的进步,质谱技术已经从一种单一的分析手段,发展成为一种集成化、智能化的现代分析技术。
现代的质谱仪不仅具有高灵敏度、高分辨率和高准确度的特点,而且能够与多种前处理技术和分离技术相结合,形成一系列高效、快速的分析方法。
这些方法的出现,极大地推动了质谱技术在化学、生物、医药、环境、材料科学等领域的广泛应用。
在生物质谱领域,质谱技术已经成为蛋白质组学中分析与鉴定肽和蛋白质的最重要的手段。
通过对蛋白质序列的精确分析,质谱技术为揭示生命的奥秘提供了有力的工具。
质谱技术也在信号传导、活性氧信号传导、细胞凋亡等领域取得了突破性的进展,为生命科学的研究提供了新的视角。
质谱技术还在色谱质谱联用技术方面取得了显著的发展。
色谱质谱联用技术充分发挥了色谱的高分离能力和质谱的鉴别能力,为复杂混合物的分析和鉴定提供了强有力的支持。
这种技术的出现,使得质谱技术的应用范围更加广泛,也为许多科学问题的解决提供了有效的手段。
随着科技的不断进步和应用的不断深化,质谱技术将继续保持其旺盛的生命力,并在更多领域发挥重要作用。
我们期待质谱技术能够在未来带来更多的突破和创新,为人类社会的发展做出更大的贡献。
1. 质谱技术的基本概念与原理作为五大谱图(光电色核磁质谱)之一,是一种广泛应用于各个学科领域的专业技术,其核心在于通过制备、分离和检测气相离子来识别化合物。
这种技术不仅为化学、生物学、医学等领域的研究提供了强有力的工具,更在推动科技进步、解决实际应用问题中发挥着不可替代的作用。
质谱技术的基本原理可以概括为:将被测物质电离,形成带电离子,随后根据离子的质荷比(质量与电荷的比值)将其分离,并测量各种离子峰的强度。
加速器质谱(AMS)测量结果与放射性活度浓度的单位换算

第35卷第1期 2018年3月世界核地质科学World Nuclear GeoscienceVol.35 No.1Mar. 2018DOI: 10.3969/j.issn.1672-0636.2018.01.009加速器质谱(A M S)测量结果与放射性活度浓度的单位换算保莉\宋沁楠\保颖2袁王瑞俊\杨宇轩1(1.中国辐射防护研究院,太原030006; 2.嘉峪关市酒钢三中,甘肃嘉峪关735100)[摘要]随着科技的发展,加速器质谱技术(AMS)越来越多的应用于辐射环境监测领域,AM S的 测量结果通常以同位素原子数之比的方式为单位,而在辐射环境监测领域,多以放射性活度〈Bq〉形式给出最终结果,它们之间结果的换算就显得尤为重要。
从不同方法测量结果的定义出发,尤其是l4C断代领域常见的单位pMC,推算AMS测量结果与放射性活度的换算公式。
该方法能用于辐射环境监测领域的数据参考,同时对环境监测方法的评估有一定价值。
[关键词]加速器质谱;单位换算;pMC;放射性活度[中图分类号]P631.6+3 [文献标志码]A[文章编号]1672-0636(2018)01-0060-03Unit conversion of AMS measurement results to radioactivityBAO Li1, SONG Qinnan1, BAO Ying2, WANG Ruijun1, YANG Yuxuan1(1. China Institute for Radiation Protection,Taiyuan030006, China;2.No.3Senior SchoolAttached to JISCO,Jiayuguan,Gansu735100, China)Abstract:With the development of technology,AMS is used more and more radiation environment monitoring field.The unit of AMS measurement results is often isotope atom radio,but Bq is the often used units radiation environment monitoring,so the unit conversion of the two methods are more important.Based on the definition of results from different methods,especially the pMC which is often used in radiocarbon dating,the formula for AMS measurement results to radioactivity was derived,which can be used for data reference in environment monitoring.Key words:AMS曰unit conversion;pMC;radioactivity加速器质谱(AMS,Accelerator Mass Spectrometry)是一种基于加速器和离子探测器 的高灵敏度质谱分析方法,通过对样品中的 原子进行直接测量而得到精确的结果。
中国原子能科学研究院的AMS研究进展

2007年10月质谱学报21中国原子能科学研究院的AMS研究进展姜山,何明,胡跃明,袁坚(中国原子能科学研究院,北京 102413)Status of AMS at the China Institute of Atomic EnergyJIANG Shan, HE Ming, HU Y ue-ming, YUAN Jian(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)Abstract: The first accelerator mass spectrometer (AMS) system in China was set up at the China Institute ofAtomic Energy in 1989. In the following years, long-lived nuclides 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca, 79Se and 129I were measured in geology, environment and biology samples. The newly development of the AMS measurements andapplications in recent years were introduced. The current projects include upgrading of AMS injection system forincreasing mass resolution, new particle identification techniques for separation of isobars, development of theAMS measurement methods for 99Tc, 93Zr, 151Sm and 182Hf analyses, and applications in biology, environmentand nuclear astrophysics.Key words: accelerator mass spectrometer; long-lived nuclides; measurement中图分类号:O657.63 文献标识码:A 文章编号:1004-2997(2007)增刊-21-03加速器质谱(accelerator mass spectrometry, 简称AMS)是20世纪70年代末基于粒子加速器技术和离子探测技术发展起来的一种质谱分析技术[1-2]。
加速器质谱(AMS)测量结果与放射性活度浓度的单位换算

加速器质谱(AMS)测量结果与放射性活度浓度的单位换算保莉;宋沁楠;保颖;王瑞俊;杨宇轩【摘要】随着科技的发展,加速器质谱技术(AMS)越来越多的应用于辐射环境监测领域,AMS的测量结果通常以同位素原子数之比的方式为单位,而在辐射环境监测领域,多以放射性活度(Bq)形式给出最终结果,它们之间结果的换算就显得尤为重要.从不同方法测量结果的定义出发,尤其是14C断代领域常见的单位pMC,推算AMS 测量结果与放射性活度的换算公式.该方法能用于辐射环境监测领域的数据参考,同时对环境监测方法的评估有一定价值.【期刊名称】《世界核地质科学》【年(卷),期】2018(035)001【总页数】3页(P60-62)【关键词】加速器质谱;单位换算;pMC;放射性活度【作者】保莉;宋沁楠;保颖;王瑞俊;杨宇轩【作者单位】中国辐射防护研究院,太原 030006;中国辐射防护研究院,太原030006;嘉峪关市酒钢三中,甘肃嘉峪关 735100;中国辐射防护研究院,太原030006;中国辐射防护研究院,太原 030006【正文语种】中文【中图分类】P631.6+3加速器质谱(AMS,Accelerator Mass Spectrometry)是一种基于加速器和离子探测器的高灵敏度质谱分析方法,通过对样品中的原子进行直接测量而得到精确的结果。
AMS技术具有测量灵敏度高(同位素原子数之比可达10-16)、样品用量少(可以到ng量级)、测量时间短等优点[1]。
随着科技的不断进步与发展,AMS装置的发展趋于简单化、小型化和合理化,大型设备昂贵的运行维护费用和样品分析成本也在尽量降低,该技术所分析的核素也由14C发展到10Be、26Al、41Ca、 63Ni、99Tc、 129I、236U、239Pu和240Pu等众多核素,涉及领域从考古学、地球科学等延伸至生命科学、环境科学、放射性药物研究等等。
AMS方法通常以同位素原子数之比的方式给出结果,而在辐射环境监测领域,多以Bq形式给出最终结果。
一门十分活跃的核分析技术——加速器质谱(AMS)最新进展

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演 化史 中定 位 .03年 ,c ne杂 志第 30期 刊 登 20 Si c e 0
t 大学的 N l n 等领导 的两个 科学小组 , e r e o s 分别 利用静电加 速器开展 了对H c的测量. 从此利用各 种类型加速器开展 的质谱研 究工作迅速开展起来.
因为 AMS 于研究 对 象 的破坏 非 常有 限 , 有 的人 对 稀
r 一篇轰动整个考古学界的文章¨ , 文章主要 内容
是利用 冰河退却 的时 间, 通过测量 山洞样 本中拍 l A 与“ e比值的定年方法为一个含有最完整人类祖先 ’ B 骨骸化石的 山洞——南 非 的 S r otn山洞术定 tk n i ef e
年. 研究 结 果认 为 : 南 非发现 的南猿化 石 比已知 的 在 还要 古老 , 四百 万 年历 史. 有 而在 此 项 工 作 中 , 着 起
2 AMS基 本 原 理
典型的 A S系统一般 由离子 源 、 M 加速器 、 磁分 析器或电分析器 、 探测器等几部 分组成 ( 1 中 图 是 国原子能科学研究 院的 A S系统 ) 它是基于加速 M , 器技术与探测器技术而建立的一种高灵敏质谱分析
加速器质谱

核技术应用:加速器质谱
第二部分
加速器质谱
结构:
离子源
离子加速器
分析器 探பைடு நூலகம்器
2
核技术应用:加速器质谱
第二部分
高能分析器
(选定 M /q 值)
磁分析器: 利用磁场对带电粒子偏转作用,从而选定 EM /q2值 静电分析器: 带电粒子在静电场中受力,选定 E /q 值
速度选择器: 正交的静磁场与静电场选定 E/M 值
3
核技术应用:加速器质谱
第二部分
粒子探测器
作用:原子计数,同时要鉴别同量
异位素和重粒子相邻同位素。
分类:分为同位素鉴别与同量异位素 鉴别两类
4
核技术应用:加速器质谱
第二部分
离子源与加速器
固体离子源(Cs离子溅射)
气体离子源 其他离子源
加速器作用:加速器把离子加速到MeV的能量, 经剥离器剥去
外层电子(分子离子被瓦解),后成为带电荷量 为的正离子,在加速。
核技术应用:加速器质谱
第二部分
(Accelerator Mass Spectrometry)
黄禹竹 咪咤果 张智
0
史晨辉 张乾
核技术应用:加速器质谱
过渡页
加速器质谱发展背景
衰变计数法:直接对被测核数进行计数。
缺点:无法测量低丰度核素,和低活度核素 以及稳定核素
质谱仪:直接对被测核素计数
缺点:分辨率低,无法区分被测核素 离子与等量异位素离子以及等量分子 离子
5
核技术应用:加速器质谱
第二部分
加速器质谱优点
-16 具有极其高的同位素丰度灵敏度 AMS同位素丰度灵敏度可达到10
能够排除分子本底的干扰
加速器质谱

四、加速器质谱的本底及抑制
(一)、本底 1.污染本底 在样品处理过程中引进的杂质产生的本底:
①样品的野外污染,包括运输、保存等, ②制样过程中引入的现代样品污), ④系统引入的污染。
四、加速器质谱的本底及抑制
(二)、本底的抑制
2.干扰本底的抑制—同量异位素干扰抑制
E.化学分离法 不同的核素化学性质不同,可以用化学反应分 离。分析极限10-6~10-8,对高灵敏度分析不适 用,只能作为初步的或辅助手段。
4.对同位素的最后鉴别和记录
加速器将离子加速到数MeV的能量,因 此可以采用核物理实验的带电粒子探测 和鉴别技术。主要是Δ E-E探测器和射 程过滤器。
三、加速器质谱技术
串列加速器质谱的工作过程:
4.1ΔE-E探测器 ΔE探测器一般是气体电离室或半导体探测器,测定每 种离子的电离损失率:dE/dx≈KMZ2/E,因此,对相同 能量E的离子,只要MZ2不同,电离损失率不同。 ΔE探测器在前,E探测器(半导体探测器或闪烁晶体) 在后,就可以在ΔE和E的乘积谱或二维谱的能谱中区分 不同质量的离子。例如将能量信号E和能量损失信号ΔE 作为X和Y轴信号分别送入多道分析器进行二维测量, 既可以区分离子种类,还可以同时记录离子数目。适当 选择ΔE探测器的厚度,可以使能量损失率大的本底离 子全部被吸收掉,或使干扰离子的能谱与待测核素分开, 从而在无干扰的情况下记录待测核素。
它在利用加速器本身的分析能力的同时,把离子 加速到较高的能量,再用带电粒子鉴别和探测技 术进行待测核素的探测记录。
主要的设备是加速器。用于质谱分析的加速器有 串列、回旋和静电加速器。使用最多的是串列加 速器。
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种种原因, 这种方法被搁置了几乎 40 年 . 直到 1977
1 引言
南非的几个石灰岩山洞堪称人类的摇篮 , 那里 藏有三分之一的已知人类早期化石. 但是由于缺乏 火山沉积物定年 , 没有人能够可靠地为它们在人类 演化史中定位. 2003 年, Sc ie nce 杂志第 300 期刊登 了一篇轰动整个考古学界的文章
# 508#
3 [ 2]
, AMS 越来越赢得了广泛的重视 .
- 16
由于 AM S 具有测量灵敏度高 ( 同位素原子数之 比可以达到 10
*
)、 样品用量少 ( 可以到 ng 量级 ) 、
国家自然科学基金 ( 批准号: 10375099) 资助项目 2005- 07- 27收到初稿, 2005 - 12- 14修回
[ 5]
, 文章主要内容
26
是利用冰河退却的时间 , 通过测量山洞样本中 A l 与 Be 比值的定年方法为一个含有最完整人类祖先 骨骸化石的山 洞 ) ) ) 南非 的 Sterkfontein 山 洞來定 年 . 研究结果认为 : 在南非发现的南猿化石比已知的 还要古老, 有四百万年历史. 而在此项工作中 , 起着 决定性作用的测量设备就是加速器质谱 ( AMS) . 其实早在 1939 年, A lvarez 和 C ornog 就利用回 旋加速器测量了自然界中 H e 的存在
2 AM S基本原理
典型的 AM S 系统一般由离子源、 加速器、 磁分 析器或电分析器、 探测 器等几部分组成 ( 图 1 是中 国原子能科学研究院的 AM S 系统 ), 它是基于加速 器技术与探测器技术而建立的一种高灵敏质谱分析 方法, 其实质上是一个高能量同位素质谱计. 其基本 原理是 : 采用类似普通质谱计的分析方法直接对放 射性核素原子进行计数 , 由于突破了普通质谱的同 量异位素与分子本底干扰的限制, 使其测量灵敏度 大大提高. 与普通质谱计不同的是 AM S 通过加速器 将离子加速到 M eV 量级 , 从而有效地抑制了分子离 子和同量 异位素 本底的 干扰 , 使 测量灵 敏度 达到 10 以上. 通常 AM S 使用的加速器都 是串列静电 加速器 , 其采用的剥离技术可以提高被加速离子的 能量, 该技术在 AM S 中可以用于 消除分子 离子干 扰. 在 M e V 级能量下 , 负分子离子经过剥离器后形 成的正离子通常是不稳定的 , 很快离解并被加速器 后面的分析器分离. AM S 对同量异位素的抑制主要 体现在以下几个方面 : ( 1) 某些核素的同量异位素 (如 C 的同量异位素 N ) 不能形成负离子 , 因此对 于这些核素来说 , AM S 采用负离子源本身就完全消 除了同量异位素的干扰; ( 2) AM S 采用的重离子探 测器具有鉴别不同核素的功能, 对于较轻核素的同 量异位素 (如 B e和 B) 具有较好的分离作用 ; ( 3) 在较高能量下, 还可以采用全剥离、 射程吸收、 充气 磁铁和特征 X 射线测量 等同 量异位 素分离 技术. AM S 的测量过程可以简单概括为: 首先将待分析样 品在离子源中电离并引出, 经注入系统进入加速器, 然后由加速器将离子的能量加速到 M eV 能量范围, 被加速的离子在加速器中通过膜或者气体被剥离, 然后经过电荷态的选择 , 再通过类似于普通质谱所 用的一些磁 分析器和电分析器排除大 量的干扰本 底 , 最后由探测器对待测离子进行鉴别和测量 . 在离 子能量被加速器加速到 ~ M eV /核 子时, 普通质谱所 遇到的局限性就可以得到解决或极大地减小.
p lications in the f ields of geoscien ces , b io m ed icin e , env ironm ental science and nuclear astrophysics are also d is accelerator m ass sp ectrometry , app lication, developmen t
14
测量灵敏度, 另一方面不可避免地会引入干扰. 所以 无载体样品分析亦是一个重要的发展趋势. 如 M a den 等 发 明 了 一 种 方 法 将 小 量 的 无 载 体 Be ( 100ng) 沉积在 洁净的基体上, 然后材料被 一个聚 焦非常好的 C s束 ( SI M S 离子源 ) 溅射 . 使用这种方 法, 样品中原始的 Be / Be 比值能够被直接测量. 另 外一个优点是使用这种方法测量的 Be / Be 比值比 加载体要低 3) 5 个数量级. 目前 , AM S 系统的发展逐渐趋向于小型化和低 能化 . 对于小型的系统, 本底是一个限制因素, 同量 异位素 m /q 不容易区分 , 同时, 相邻同 位素的干扰 也不得不考虑 . 所以 , 能够提供好的能量分辨或离子 鉴别的探测器对于 AM S 测量是非常重要的 . 随着薄 的类金刚石碳膜 ( 0 . 5) 0 . 7Lg / cm ) 的发明 , AM S 测 [ 10 ] 量技术也在不断取得令人瞩目的进展 . 另外 , 非
(C hina Institute of A tom ic E nergy, B eijing 102413 , C hina )
Abstract cu ssed. K eywords
The basic princip le and the last developmen ts of acceleratormass sp ectrometry are described. Its ap-
10 [ 1]
年 M uller等才首次利用回旋加速器对 C 和 H 进行 [ 3] 了测量, 同年 M c M aster 大学的 Bennett 和 Roches ter大学的 N elson
[ 4]
14
3
等领导的两个 科学小组, 分别
14
利用静电加速器开展了对 C 的测 量. 从此利 用各 种类型加速器开展的质谱研究工作迅速开展起来. 因为 AM S 对于研究对象的破坏非常有限, 稀有的人 工品能够被取样确定年而不造成破坏. 近年来, 通过 对著名的人工品和发现物如耶稣 裹尸布、Ice M an 、 the Dead Sea Scro lls和查理曼大帝王冠等艺术珍品 的分析
2 10 9 10 9 [ 9]
统
[ 6]
, 需要的总面积约为 2 @ 3m , 其 200 kV 的高压
2
通过真空绝缘产生, 可以由商用电直接提供电力, 这 可谓是世界上目前最小的迷你型 AM S 系统 . 而 NEC 最近 推 出 的 一 种 新 的 AM S 系 统 ) ) ) 单 级 AMS ( SSAM S) 系统, 它不需要加 速级, 而是 直接在离子 源或者探测系统部分加上一个高压腔. 第一台设备 目前已被安装在瑞典的 Lund 地球生物科学中心, 专 用于考古学研究, 其设计目标是达到 5j 的测量精 度 , 如果它能达到设计标准 , 这个系统的下一步发展 将很值得关注 . AM S 的商业化运营也是目前一个新 的发展趋势 , 从 20 世纪 90 年代末期开始 , 由 NEC 、 HVEE 和 N ew ton Sc ientific 发展了许多小型 AM S 系 统 , 这些设备大部分都能测量超过 8000 个样品 /年. 一般来说, 每个样品的测试费用约为 500 美元. 这对 于推动 AM S 的发展无疑是一个非常好的源动力. AM S 近年来在我国也得到了较大的发展 , 如北 京大学在已有的端电压为 6 MV 的 AM S 基础上, 于 2004年引进的一台端电压 0. 5MV 专用于 C 测量 的 AM S 装置, 中国科学院西安地球环境研究所也在 最近引进了一台专用于 C 和 Be 测量的端电压为 3 MV 的 AM S 装置 . 另外, 中国原子能科学研究院目 前正在筹建一台端电压为 6 MV 的 AM S 装置, 其目 标是测量目前 AM S所能测量的全部核素 . 3 . 2 技术发展 技术发展主要涉及离子源改进、 简化制样流程 和提高测量灵敏度. 由于固体溅射负离子源可以降 低同量异位素的干扰 , 交叉干扰低, 而 且对于 AMS 经常测量的核素有较适用的负离子产额 , 所以至今 仍被大多数 AM S 系统所采用. 在过去几年没有较大 14 变化, 其性能和可靠性目前仍在继续完善. 对于 C 的测量来说, 气体源能直接把 CO2 气体转换成碳负 离子束 , 可以简化样品制备. 虽然 M idd le ton 在大约 20 多年前就已经介绍了此类 AM S 气 体源 . 但是 直到最近才由 P aul L. Sk ipper等调试完成 , 其测量 的样品量可以 减小到 50ng . 样 品制备属于 AMS 整体系统的一部分 , 是非常关键的环节. 在 AM S 测 量中, 一般需要在样品制备过程中加入载体把需要 测量的核素提取出体物理应用方面的最新进 展 . 关键词
A activity nuclear analysis technology ) ) ) the last developm ent of accelerator mass spectrom etry
DONG K e -Jun HE M ing JI ANG Shan
目前, 全球 AM S 系统大致经历了 4 个发展阶段 ( 图 2). 它可以概括为: AM S 发展初期 , 大部分系统 是在原用于核物理实验研究的加速器基础上改造而 成, 并且往往只有部分束流时间用于 AM S 测量 . 近 年来 , 随着 AM S 技术的不 断完善和应 用需求的 增 加, 一些新建的 AM S 实验室大多引进全套商品化专 用 AM S 装置 . 如美 国 W oods H o le 海 洋 研究 所 的 NOSAM S 装 置, 主 要 用 于 海 洋 学研 究 , 而 在 英 国 York大学建立了一 台 AMS 设备 专用于药物研 究.
35 卷 ( 2006 年 ) 6 期
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