質譜儀的歷史及發(fā)展

質譜儀的歷史與開展質譜的開展與核物理的早期開展嚴密相連，而核物理的早期開展又是建立在真空管氣體放電的技術上?？唆斂怂构苁菑脑缙谟玫纳w斯勒管改進而來的，它是一個內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——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)*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分析和測量了電子的質荷比m/e。他發(fā)現(xiàn)了一種質量只有氫原子〔當時的最輕的原子〕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量，這是首次對質子的測量。維恩和湯姆森正是質譜法的開創(chuàng)者如圖是1898年由維恩制造的第一臺質譜實驗裝置。在一個氣壓很低的玻璃管中設置了陰極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，除了磁極間的平行磁場外在垂直射線和磁場方向設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展研究，測量了氫原子核〔當時維恩并不知道這是氫原子核〕的荷質比，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來分析離子束性質的科學家。不過真正意義上的質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*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中間是一個6cm長，內徑從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)過偏轉的離子束打在后面的熒光屏上。湯姆森采用了Zn2SO4作為熒光材料，它的靈敏度比之前使用的材料要高很多。經(jīng)過簡單的力學分析計算，可以得到離子束在*和y方向的偏轉距離為：當時〔實驗的設置可以滿足這一點〕，*可以近似為由此可以看出，在確定的電場和磁場之下，對于不同荷質比的粒子，隨著其速度的變化〔調節(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，在早期的實驗結果中就可以看到，不同質量離子形成的拋物線都是比擬清晰鋒銳的，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擬精細的測量中沒有表現(xiàn)出質量差異。這是1913年湯姆森發(fā)表的最著名的一*質譜圖，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)現(xiàn)化學元素的同位素。當時已經(jīng)成為湯姆森助手的F.W.阿斯頓為了證實這一結果，后來又進展了一系列實驗，終于成功別離并制備了這兩種同位素的樣本。其實在1918年鄧普斯特設計了一套同位素別離裝置，如圖離子在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內有垂直于紙面方向的勻強磁場，粒子在其中偏轉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1750V。由于離子在磁場中的偏轉半徑R=mv/qB，經(jīng)過180°的偏轉后，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，可以得到不同荷質比的離子束。實驗所用的離子源是熱源，是加熱或用陰極電子轟擊鉑片上的對應離子鹽產(chǎn)生的的。但是由于當時技術條件的限制，到達一定強度的大*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半徑卻又不能太小。因此后來尼爾等又開展了90°、60°等小角度偏轉的質譜裝置，來進展更準確的實驗。阿斯頓也是在鄧普斯特的想法上提出了改進。1919年，阿斯頓制作了一臺全新的質譜儀，上圖是阿斯頓的實驗裝置示意圖，和得到的結果。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θ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，最后打在熒光屏上。阿斯頓的裝置擁有十分精巧的幾何構造設計，因為離子束在電場中的偏轉與和磁場中的偏轉都與q/m、v相關，兩次偏轉符合的結果消除了v的影響，使得一樣荷質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，得到的質譜結果為當時的元素整數(shù)質量規(guī)則提供了直觀的闡釋。1922年，阿斯頓獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰它在質譜儀，同位素等方面的奉獻。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量，并且發(fā)現(xiàn)了元素的相對原子質量與整數(shù)的偏差，現(xiàn)在我們知道這是核子結合成原子核時的質量虧損，或者說斂集率造成的，但是阿斯頓是在沒有相關理論的情況下，率先利用質譜儀觀測并且研究這一現(xiàn)象的。基于阿斯頓質譜儀中聚焦的思想，1934年Mattauch與Herzog進一步開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*底片上得到很大*圍的質量譜。這種雙聚焦質譜儀最終以他們的名字命名。雙聚焦的設計根本成為了之后20年內多數(shù)質譜儀的藍本。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開展，實驗規(guī)模和精度也有了很大提升。質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235U。還有用來測定材料成分的二次離子質譜法，被應用于古生物學、地球化學和地質學。到了1960年以后，探測器、加速器、光譜學、電磁學等方面技術有了很大的開展，離子的質量測量出現(xiàn)了許多新的方法，比方RadioFrequencyQuadrupoles(RFQ)，重離子加速器結合TOF系統(tǒng)，傅里葉變換譜學，電四極離子陷方法等等，傳統(tǒng)的質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家在實驗裝置的設計，思考和解決問題的方法上有很多值得我們借鑒和學習。無論技術和知識背景如何改變，我相信其中一些科學研究的根本思想是我們始終須要秉承的。參考文獻：Onraysofpositiveelectricity;J.J.Thomson,PhilosophicalMagazine13(19