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
通过粒子鉴别消除同量异位素的干扰
样品用量少，测量时间短 减少散射的干扰
6
样品用量可以达到ng量级
核技术应用：加速器质谱
第二部分
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核技术应用：加速器质谱
第二部分
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核技术应用：加速器质谱
第二部分
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核技术应用：加速器质谱
第二部分
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核技术应用：加速器质谱
第二部分
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质谱仪和回旋加速器.pptx
v qBR0 m
Ek
1 2
mv2
Ek
q2 B2 R02 2m
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理论分析： （1）当v⊥B 时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的关系?粒子运动 的轨迹平面有何特点？
（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？
（3）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？
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q
-
o
问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
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三、回旋加速器 （一）直线加速器
1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正
功使带电粒子的动能增加，qU=Ek．
2.直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：
3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。
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三、回旋加速器
（一）直线加速器 （二）回旋加速器
1、轨道半径
V
带电粒子只受洛伦兹力，作圆 - F洛 周运动，洛伦兹力提供向心力：
qvB m v2 r
解得：r mv qB
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一、带电粒子在匀强磁场中的运动
沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在 匀强磁场中做匀速圆周运动。
1、轨道半径 r mv
qB
2、运行周期 T 2r 2m
解决上述困难 的一个途径是把加 速电场“卷起来”， 用磁场控制轨迹， 用电场进行加速。
NN
D2
O
~
D1
B
S
回旋加速器原理图
质谱仪衰变
质谱仪衰变
质谱仪的“衰变”可能指的是用于测量放射性同位素衰变率的技术，即加速器质谱（AMS）。
质谱仪是一种分析仪器，它通过将物质离子化后按照离子的质荷比分离，然后检测不同离子的谱峰强度来实现对样品的分析。
在放射性同位素分析中，质谱仪可以用于精确测量长寿命同位素的含量，这对于地质学、环境科学、生物学等领域的研究非常重要。
加速器质谱（AMS）是一种结合了加速器和质谱技术的高精度测量方法，它能够测量非常小的放射性同位素比例，甚至是在一个万亿个稳定同位素原子中的一个放射性原子。
AMS技术的核心在于使用加速器来提高离子的能量，从而提高质谱分析的灵敏度和精度。
这项技术对于研究古老的碳十四测年、铍10地表曝露年龄、以及环境中的氚等长寿命同位素非常有用。
总的来说，质谱仪在分析放射性同位素衰变方面发挥着重要作用，而加速器质谱（AMS）是这一领域的一种先进技术，它通过提高离子的能量来增强质谱分析的性能，使得即使是极低浓度的放射性同位素也能被准确测量。
加速器质谱中心简介
加速器质谱中心简介利用超高灵敏度加速器质谱技术，进行高精度年代学研究，宇宙事件探测，宇宙成因核素的环境过程示踪，行星地质学的比较研究，加强碳、氮、氧、氢的生物地球化学循环与示踪过程研究，获取高分辨率的环境变化信息，为地球环境研究提供技术支撑平台。
发展定位实验室定位于加速器质谱新技术、同位素示踪新方法及其在地球环境科学、考古学和生物环境等领域的应用研究。
面向基础科学研究前沿和国家重大需求，将加速器质谱新技术与放射性核素、稳定同位素示踪新方法相结合，为我国尤其是我省在地球环境科学等领域的原创及应用研究提供科技支撑。
通过发挥加速器质谱技术优势，面向国内外开放，凝聚和培养从事加速器质谱技术及应用领域的高水平科技人才，逐步将实验室建设成为国际一流的加速器质谱应用研究中心、人才培训中心和权威分析测试中心，为我国及陕西省地方经济社会可持续发展提供科技服务。
研究方向：研究方向1：加速器质谱功能开发和技术创新加速器质谱仪(AMS)具有超高灵敏度和极少样品需求量的优势，成为进行地球科学中基础性、战略性和前瞻性研究的必要条件，已成为高精度年代学和地球环境精細过程示踪研究中不可缺少的前沿性工具。
实验室将在充分发挥AMS已有测量技术优势的基础上，开展AMS功能开发和技术创新研究，通过仪器的功能升级和技术改造，发展超微量样品14C、129I 和B同位素测试新技术，开发Pu等新放射性核素测试功能，拓展加速器质谱应用研究领域。
研究方向2：地球环境过程的宇宙成因核素示踪研究地球环境系统变化及行星和宇宙事件对地球环境影响的研究已成为本世纪地球科学前沿方向之一。
我国拥有丰富多彩的自然地理格局及类型多样的地质记录，使得在地球环境变化研究领域具有得天独厚的区域优势，也为我国地球环境研究赶超世界先进水平提供了极大的发展空间。
实验室将利用加速器质谱对各类长寿命放射性核素的测试优势，开展放射性核素在地球环境变化科学中的环境过程示踪和定年研究，获取自然环境变化的历史、规律，辩明人类活动的环境效应，探索东亚季风环境和内陆干旱环境的耦合演化特征及其机制，预测未来我国尤其是西部半干旱区气候变化趋势；开展宇宙成因核素（如10Be）定量示踪第四纪以来黄土地磁场强度和降水变化的历史重建研究，为刻画地球磁场变化历史的细节以及中长时间尺度大陆水循环过程和变化规律提供新的环境示踪途径。
第1.4节 质谱仪与回旋加速器(教学课件)
一、质谱仪
1、质谱仪：
利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。
2、结构 ：
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
②加速电场：使带电粒子获得速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
3、作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
回旋加速器和质谱仪
例5： 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分 ： 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地， 布着平行于轴线的四条狭缝ａ、ｂ、ｃ ｄ，外筒的外半径为 ａ、ｂ、ｃ和 外筒的外半径为ｒ 布着平行于轴线的四条狭缝ａ、ｂ、ｃ和ｄ，外筒的外半径为ｒ０，在圆 筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场， 筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小 Ｂ。在两极间加上电压 使两圆筒之间的区域内有沿向外的电场。 在两极间加上电压， 为Ｂ。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿向外的电场。一 质量为ｍ、带电量为＋ｑ的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝ａ ｍ、带电量为＋ｑ的粒子 点出发， 质量为ｍ、带电量为＋ｑ的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝ａ的Ｓ点出发， 初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点Ｓ， 初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点Ｓ， 则两电极之间的电压Ｕ应是多少？（不计重力，整个装置在真空中） ？（不计重力 则两电极之间的电压Ｕ应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）
3、推导 推导
加速：qU =
1 2 mv 2
mv 1 偏转：R = = d qB 2
1 1 2mU R= d = 2 B q
二、回旋加速器
1、带电粒子在两D形盒中回旋周 、带电粒子在两 形盒中回旋周 期等于两盒狭缝之间高频电场 的变化周期， 的变化周期，粒子每经过一个 周期， 周期，被电场加速二次
V1
V5 V3
V2
V0
V4 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起 、 来是一个初速度为零的匀加速直线运动
3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， 、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， ⊿ E K ＝ qU 每次增加的动能为 所有各次半径之比为： 所有各次半径之比为：∶ 2∶ 3∶... 1 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。 、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。
第4课 质谱仪与回旋加速器(课件)
（4）带电粒子的轨迹特点
2 m
）的交变电压。
Bq
粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。
（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。
加速器 (二) 回旋加速器
3. 带电粒子的最终能量
0
由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。
4.作用： ①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
【例1】
C
加速器 (一) 直线加速器
1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，
qU=Ek．
2．直线加速器，多级加速如图所示：
质子的能量E将越大
C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的运动时间将越短
课堂总结
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
1、条件：
1
= 2
2
mv
r
qB
1 2mU
r
B
q
q
8U
2 2
加速电场
速度选择器
偏转磁场
质谱仪
3.原理：
1
2
经加速电场获得速度： =
2
=
经速度选择器时速度为0 ： = 0
2
0 =
0
02
=
在偏转磁场中： 0 0 =
0
1 2mU 0
质谱仪与回旋加速器
运动类型
类平抛运动
匀速圆周运动或其一部分
运动轨迹
抛物线
圆或圆的一部分
偏转条件
受力情况
电偏转和磁偏转的对比
运动轨迹图
求解方法处理
动能变化
偏移y和偏转角φ要通过类平抛运 偏转y和偏转角φ要结合圆的几何关
动的规律求解
动能增大
系通过对圆周运动的讨论求解
动能不变
2．（多选）如图为一“速度选择器”装置的示意图。、为水平放置的平行金属板，
一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔进入、两板之间。为了选取具有某
种特定速率的电子，可在、间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所
选电子仍能够沿水平直线′运动，由′射出，不计重力作用。可能达到上述目的的办
（1）带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心角的2倍。（ × ）
（2）带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。（ √ ）
（3）速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。（ × ）
（4）应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。（ √ ）
（5）回旋加速器两狭缝可以接直流电源。（ × ）
质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，
质子在加速器中的动时间将越短
电偏转和磁偏转的对比
匀强电场中偏转
匀强磁场中偏转
垂直电场线进入匀强电场
垂直磁感线进入匀强磁场
(不计重力)
(不计重力)
电场力F＝Eq
洛伦兹力F洛＝qvB的大小不变，
大小、方向都不变
方向随v的方向的改变而改变
周期跟轨道半径和运动速度无关
1
尽管速率和半径一次比一次大，运动周期却始终不变。
课件1：1.4质谱仪与回旋加速器
粒子才能通过速度选择器。
(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：r = mv
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别， 就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着 不同的谱线，叫作质谱线。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒 置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下 列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
③交变电压的作用 为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上 跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大， 在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明： 1. 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运 动的周期不变。 2. 因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽 略不计。 3. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因 是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导 致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
1.4 质谱仪与回旋加速器
1.4.质谱仪与回旋加速器中的运动教学设计 .-
1.4质谱仪与回旋加速器一、教材分析物理课程标准：知道质谱仪和回旋加速器的基本原理,以及相应的工作过程，理解在电场、磁场中的运动规律。
教材内容及体系安排：通过前面学习，知道电荷在电场、磁场中的分别受到电场力、洛伦兹力，当电荷（粒子）在匀强电场中运动的方向与电场强度方向平行时。
匀强电场对电荷（粒子）起到加速的作用，当运动的电荷（粒子）运动的方向。
与匀强磁场中磁感应强度的方向不平行时，运动的电荷（粒子）受到洛伦兹力作用。
改变运动的方向，轨迹发生偏转。
洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力。
二、学情分析授课学生对象：高二年级的学生知识储备：带电粒子（微粒）在电场、磁场中的运动特点能力基础：理解粒子收到电场力的作用，会对带电粒子起到加速、偏转作用，磁场会起到偏转作用。
思维方式：比较抽象，不能用空间解释带电粒子的运动情况分析。
想象不到具体的运动情况，以及找相应的运动轨迹。
三、教学目标与核心素养物理观念学生知道带电粒子在匀强电场、磁场中运动的特点，以及遵循的相关规律，清楚在生活中的重要性。
科学思维∶训练学生运用电场和磁场的知识解决实际问题，培养其科学思维能力。
培养学生的逻辑思维能力和分析问题的能力，科学探究通过演示实验的引导，培养学生实验动手操作能力。
让学生能够从理论学习走向实践操作，培养学生的物理思维能力。
科学态度与责任通过演示实验的引导，培养学生团队合作精神，数据的处理追求实事求是的科学责任。
四、教学重难点教学重点：①带电粒子在电场和磁场中的运动特点及规律②质谱仪、回旋加速器的工作原理和生活中的应用教学难点：①质谱仪和回旋加速器的原理和应用，理解质谱仪用来测量同位素、质量比、半径比关系，回旋加速器最大初动能与加速电压无关原因。
五、教法学法教法：讲授法、实验探究法、练习法学法：自主探究法、讨论交流法、六、教学准备多媒体课件、圆规、绳子、细线七、教学过程温故知新、复习导入复习洛伦兹力、安培力的内容，相应的方向、大小的计算。