質(zhì)譜儀的歷史與發(fā)展

1、質(zhì)譜儀的歷史與發(fā)展質(zhì)譜的發(fā)展與核物理的早期發(fā)展緊密相連， 而核物理的早期發(fā)展 又是建立在真空管氣體放電的技術(shù)上。 克魯克斯管是從早期用的蓋斯 勒管改良而來的，它是一個內(nèi)部抽成較低氣壓的玻璃管， 兩端裝有電 極，陰極和陽極之間可以產(chǎn)生10 -100千伏的高壓?？唆斂怂构苓\行 時的真空比0.1帕斯卡要低得多，這是射線管實驗一一特別是陽極射 線研究的必備條件。許多基于克魯克斯管的實驗帶來了原子和核物理 方面開創(chuàng)性的研究成果。最著名的是在1895年由威廉康拉德倫 琴發(fā)現(xiàn)x射線。不到年之后J.J.湯姆森通過對陰極射線在電場中的 偏轉(zhuǎn)分析和測量了電子的質(zhì)荷比 m/e。他發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量只有氫原子（當(dāng)時已知的

2、最輕的原子）的 1/1800卻帶有一個單位負電荷的粒 子，這是電子的發(fā)現(xiàn)。維恩在 1898年通過對陽極射線的分析測量了 氫原子核的質(zhì)量，這是首次對質(zhì)子的測量。S I *維恩和湯姆森正是質(zhì)譜法的開創(chuàng)者如圖是1898年由維恩制造的第一臺質(zhì)譜實驗裝置。在一個氣壓很低的玻璃管中設(shè)置了陰極 A和陽極 a用來產(chǎn)生陽極射線，然后射線會經(jīng)過平行的電極縫， 同時b區(qū)域的真空管外也覆蓋了電極用來屏蔽磁場。在真空管c區(qū)域內(nèi)，除了磁極間的平行磁場外在垂直射線和磁場方向設(shè)置了平行電場來分析離子束。 在電 場和磁場的作用下，只有特定速度（v=E/B）的離子 可以到達真空管末端，這就是我們現(xiàn)在所說的速度選 擇器。這個裝置的

3、長度只有5厘米。維恩利用它從陽極射線中選出特 定速度的離子進行研究，測量了氫原子核（當(dāng)時維恩并不知道這是氫 原子核）的荷質(zhì)比，并研究了其他一些更重的離子。但直到 1919年 盧瑟福的系列工作之后才正式宣判了質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)。盡管如此，正如J.J.湯姆森所說，維恩是第一個是用磁場偏轉(zhuǎn) 來分析離子束性質(zhì)的科學(xué)家。不過真正意義上的質(zhì)譜法的誕生還要歸 功于1907年湯姆森本人的實驗上圖是湯姆森在劍橋搭建的第一臺質(zhì)譜儀的實物和原理。他同樣采用陽極C把放電區(qū)和測量區(qū)分開，放電區(qū)沖入少量的某種氣體，陽 極和陰極之間加有30-50千伏的電壓。同樣為了屏蔽磁場的干擾，在 放電區(qū)的外面放置了金屬的隔離罩 W放電區(qū)電極C

4、中間是一個6cm 長，內(nèi)徑從0.5mm到0.1mm的準直孔，用一個非常精巧的毛細玻璃管 F和測量區(qū)相連。氣體在放電區(qū)電離出離子，并且在高電場下獲得很 快的速度，最后沿著毛細玻璃管以很窄的一束射入抽真空的測量區(qū)。測量區(qū)內(nèi)安裝了兩塊平行的電極 A,并且外部有一組磁極P提供磁場。與維恩的實驗不同，這里磁場和電場的方向是平行的。 經(jīng)過偏轉(zhuǎn)的離子束打在后面的熒光屏上。湯姆森采用了 ZnSO作為熒光材料，它的 靈敏度比之前使用的材料要高很多。PhotographicPlateDeflectionregionField free region經(jīng)過簡單的力學(xué)分析計算，可以得到離子束在x和y方向的偏轉(zhuǎn)x = R

5、1 -DL距離為:1L2/ R2 /當(dāng)心皿 qBL時（實驗的設(shè)置可以滿足這一點），X可以近似為BLD由此可以看出，在確定的電場和磁場之下，對于不同荷質(zhì)比的粒 子，隨著其速度的變化（調(diào)節(jié)加速電壓），會在熒光屏上顯示出不同 的拋物線軌跡，他們都出發(fā)自同一個未經(jīng)偏轉(zhuǎn)的原點。湯姆森利用這個原理測量了多種氣體電離出的離子束，在早期的 實驗結(jié)果中就可以看到，不同質(zhì)量離子形成的拋物線都是比較清晰鋒 銳的，沒有出現(xiàn)成片的散點，這也是第一次證明了同一種原子在比較精細的測量中沒有表現(xiàn)出質(zhì)量差別這是1913年湯姆森發(fā)表的最著名的一張質(zhì)譜圖，可以看到很多 清晰的離子譜線，最引人注目的是22Ne和20Ne,這是第一次發(fā)

6、現(xiàn)化學(xué) 元素的同位素。當(dāng)時已經(jīng)成為湯姆森助手的F.W.阿斯頓為了證實這一結(jié)果，后來又進行了一系列實驗，終于成功分離并制備了這兩種同 位素的樣本。其實在1918年鄧普斯特設(shè)計了一套同位素分離裝置，如圖-Pu/np離子在G中產(chǎn)生并被高壓加速，通過狹縫 S1進入抽真空的分析 器A, A內(nèi)有垂直于紙面方向的勻強磁場，粒子在其中偏轉(zhuǎn)180后， 能經(jīng)過狹縫S2的離子才會被探測到，裝置的加速電壓可以從500V到 1750M由于離子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑 R=mv/qB經(jīng)過180的偏轉(zhuǎn)后， 出射方向與入射方向平行，因此通過加速電壓和狹縫的選擇， 可以得 到不同荷質(zhì)比的離子束。實驗所用的離子源是熱源，是加熱或用陰極

7、 電子轟擊鉗片上的對應(yīng)離子鹽產(chǎn)生的的。但是由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，達到一定強度的大范圍勻強磁場 難以得到，但是為了減小誤差，粒子的加速電壓又必須足夠高（因為 粒子的速度本身存在一定分布），也就是說粒子的偏轉(zhuǎn)半徑卻又不能 太小。因此后來尼爾等又發(fā)展了 90、60等小角度偏轉(zhuǎn)的質(zhì)譜裝 置，來進行更精確的實驗。阿斯頓也是在鄧普斯特的想法上提出了改1919年，阿斯頓制作了一臺全新的質(zhì)譜儀，上圖是阿斯頓的實 驗裝置示意圖，和得到的結(jié)果。氣體電離產(chǎn)生的離子束先經(jīng)過S1、S2兩個準直孔，同時通過一個與其有傾角 0的平行電極板加速，通 過擋板D,再經(jīng)過圓形的勻強磁場偏轉(zhuǎn)，最后打在熒光屏上。阿斯頓 的裝置擁有十

8、分精巧的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，因為離子束在電場中的偏轉(zhuǎn)與 和磁場中的偏轉(zhuǎn)都與q/m、v相關(guān)，兩次偏轉(zhuǎn)符合的結(jié)果消除了 v的 影響，使得相同荷質(zhì)比不同速度的粒子最終在屏所處的平面上聚焦在 同一點。這個裝置極大地減小了質(zhì)譜測量的誤差 （去除了離子速度分 布的影響），擴展了能夠測量的離子種類，得到的質(zhì)譜結(jié)果為當(dāng)時的 元素整數(shù)質(zhì)量規(guī)則提供了直觀的闡釋。1922年，阿斯頓獲得了諾貝 爾物理學(xué)獎，以表彰它在質(zhì)譜儀，同位素等方面的貢獻。隨后，阿斯頓又進一步改進了他的實驗裝置 （主要是在材料和工藝上），以測定不同元素的質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)了元素的相對原子質(zhì)量與 整數(shù)的偏差，現(xiàn)在我們知道這是核子結(jié)合成原子核時的質(zhì)量虧損， 或

9、 者說斂集率造成的，但是阿斯頓是在沒有相關(guān)理論的情況下， 率先利 用質(zhì)譜儀觀測并且研究這一現(xiàn)象的?；诎⑺诡D質(zhì)譜儀中聚焦的思想，1934年Mattauch與Herzog 進一步發(fā)展出了完整的離子束能量和方向的雙聚焦理論，并且能在同一張底片上得到很大范圍的質(zhì)量譜。這種雙聚焦質(zhì)譜儀最終以他們的 名字命名。雙聚焦的設(shè)計基本成為了之后 20年內(nèi)多數(shù)質(zhì)譜儀的藍本。在這期間，儀器的材料，制造工藝，離子束的制備方法等都有了很大的發(fā) 展，實驗規(guī)模和精度也有了很大提升。 質(zhì)譜儀在同位素的研究方面取得了很多成果，最著名的可能是提取出了鈾的同位素 235UO還有用來 測定材料成分的二次離子質(zhì)譜法，被應(yīng)用于古生物學(xué)、

10、地球化學(xué)和地 質(zhì)學(xué)。到了 1960年以后，探測器、加速器、光譜學(xué)、電磁學(xué)等方面技術(shù)有了很大的發(fā)展，離子的質(zhì)量測量出現(xiàn)了許多新的方法，比如RadioFrequency Quadrupoles (RFQ),重離子加速器結(jié)合 TOF系統(tǒng)，傅里葉變換譜學(xué)，電四極離子陷方法等等，傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀漸漸退出了核物 理研究的主流舞臺。然而維恩、湯姆森、鄧普斯特、阿斯頓等等一批偉大的科學(xué)家在 實驗裝置的設(shè)計，思考和解決問題的方法上有很多值得我們借鑒和學(xué) 習(xí)。無論技術(shù)和知識背景如何改變，我相信其中一些科學(xué)研究的基本 思想是我們始終須要秉承的。參考文獻：On rays of positive electricity; J.J.Thomson, Philosophical Magazin