加速器与加速器质谱法
一、加速器
（一）带电粒子加速器的兴起
用人工方法产生带电粒子并在电场中加速达到高能量的电磁装置就是带电粒子加速器，简称为“加速器”。加速器最初是为原子核物理研究的需要而发展起来的，但是不论过去或现在，人们在研究原子核和基本粒子方面所取得的成就，都是和加速器的发展有着密切的联系。然而随着各门学科的交叉发展，加速器的应用已远远超出原子核基础研究的范围，在核能利用、工农业生产、医疗卫生及其他科学技术领域都有很广的运用。现在用于非核科学领域的加速器数量已占总量的4/5左右。粒子加速器涉及到诸如离子源、电磁场、束流光学、真空技术、机械加工、核探测等许多科学技术，是现代高新技术的综合与代表。几十年来，加速器从无到有，发展极快，束流能量提高了上百万倍，束流品质也有很大改进。常用的加速器类型已有20多种，总数已超过6000多台。
当1932年第一台加速器在获700kV直流高压的倍压加速器上加速原子，人类第一次实现了用人工加速粒子激发的核反应；与此同时，美国的范德格拉夫研制成高压达1．5MV的静电高压发生器，用它成功地建成了静电加速器；1932年一种利用高频电压多次共振加速原理的回旋加速器也宣告建成，加速质子能量达1．22MeV。此后，一系列能量越来越高的新型加速器便迅速发展起来，相继建成了同步回旋加速器、电子同步加速器、强聚焦质子同步加速器、驻波加速器等。现在，以西欧核子中心和美国国家实验室为两个代表，集中了种类繁多、能量从低到高的各类加速器。有的加速器长达几公里，能量为几十GeV。60年代以来，等时性回旋加速器、串列式静电加速器、重离子加速器相继研制成功并得到迅速发展。在高能范围内，在强聚焦同步加速器的基础上，对撞机及专门用于同步辐射光源的电子储存环（中、高能）也有了较大的发展，为高能物理实验研究及推动其他学科的发展，作出了积极的贡献。
目前世界上最大的加速器建于瑞士日内瓦西欧核子中心，此加速器的周长就有27千米！用这样的庞然大物来研究微观粒子，恰似提供了强有力的“鼓风机”，非将粒子的质量本源、相互作用等揭示透彻不可。
（二）带电粒子加速器的基本组成
加速器的种类繁多，可以按不同的原则加以划分。例如按加速粒子种类的不同，可分为电子类和离子类加速器；按能量高低的差异，可分为低能、中能和高能加速器；按粒子运动轨道形式的不同，可分为直线型、环型和螺旋形轨道加速器。
不同的加速器特点各异，但基本组成大体可分为三个部分：
1．电子枪或离子源即产生带电粒子的装置。其中等离子体离子源有高频离子源、潘宁离子源和双等离子体离子源；固体表面离子源又分热表面离子源和溅射离子源。一台加速器可同时拥有两个或多个离子源。
2．加速带电粒子的装置，这是加速器的主体，把带电粒子加速到额定能量。由以下四个系统组成：①加速电场系统——加速带电粒子。②导引磁场系统——控制带电粒子沿一定的轨道运动。③聚焦系统——促使偏离预定轨道的带电粒子返回“理想”轨道。④真空系统——为带电粒子顺利加速和运动提供真空条件，尽量避免因气体分子碰撞而造成不必要的影响和损失。
3．束流的引出装置，能使已加速到额定能量的粒子束偏离其原来轨道（一般经过偏转磁铁），按预定方向直接引出进入靶室。
加速器的束流性能指标主要体现在：粒子品种、能量、束流强度和束流品质等四个方面。
（三）加速器拓展的领域
1．粒子加速器是为了进行原子核物理及基本粒子物理的基础研究。对原子核的研究大致可分为低能核物理、重离子核物理和高能核物理三大领域，主要研究原子核内部结构，如核力、核内组成、核内电荷和质量分布及奇特核，认识原子核内部的运动规律。基本粒子研究包括其产生、内部结构、相互作用、相互转化规律等。
2．核能利用的研究方面主要用于核反应堆、核电站、核武器的设计制造所需的重要数据（如核反应截面、核裂变截面、能谱及中子的扩散、慢化等）的实验测量及生产新型的干净的核能源。
3．原子物理的研究。通过束箔光谱来了解高剥离态原子的物理和化学性能，精确测量原子的能级寿命；粒子束与原子碰撞过程的研究。
4．固体物理和材料科学研究中的应用方面主要研究材料的结构、晶体中杂质的空间分布、缺陷及辐射损伤，为半导体材料改进性能提供了有力的手段。还可进行溅射、电子和光子的激发、离子在物质中的能量损失及温度、压力、催化等物理化学过程对材料结构性能影响的研究。
5．多项核分析技术研究方面，主要用于如中子活化分析、带电粒子瞬发核反应分析、带电粒子活化分析、背散射分析、带电粒子激发X射线分析等多种分析，广泛地应用于各个研究领域对常量和微量元素快速、无损、多元素的高灵敏度分析。
6．工业生产上的应用方面，加速器常用于重型设备大厚度部件的无损检测（如火箭外壳），半导体器件生产过程中可控制部位、深度和浓度的离子掺杂，以及化工生产中的辐射加工。
7．农业和生物学上的应用方面，加速器提供的辐射可用来改变植物、微生物和动物遗传特性，使它们向适应人们需要的方向变化，概括起来为辐射育种、抗病早熟、提高产量，辐射食品、延长贮存、保鲜保质，辐射杀虫、辐射灭菌，保护环境等。
8．医疗卫生方面的应用方面，医学上的放射治疗就是利用加速器提供的γ射线、电子束、质子束、π介子束及重离子束来治疗肿瘤。对不宜用加温消毒或化学消毒的物品，如疫苗、抗生素等，由加速器辐射消毒。活化分析广泛用于预防医学（环境卫生、劳动卫生、食品卫生和流行病学等）、临床医学和实验医学。
由此可见，加速器已广泛地应用到社会的各个领域中，与人类的生存发展息息相关，随着社会的进步，它必将有更加诱人的应用空间。
（四）加速器在我国的情况
20世纪50年代由前苏联专家帮助在原子能科学研究院建造的扇形回旋加速器是我国最早的一台加速器。现在我国已有几十台用于科学研究的加速器，绝大部分属于低能加速器，其中比较先进的是原子能科学研究院的H－13串列静电加速器，它的能量是目前亚洲同类型中最高的，端电压为13MV。另外，中国科学院高能物理研究所的正负电子对撞机、中国科技大学的同步辐射光源、兰州近代物理研究所正在建造的储存环及上海在“九五”期间将要建造的同步辐射光源，都是技术比较先进、能区比较高的加速器，但总的来说，我国加速器的现状与欧美等发达国家相比，在数量和先进性上都存在一定差距。
北京大学技术物理系现有三台加速器，在全国高校中数量最多、覆盖能区较宽。一台是美国NEC公司制造的2×1．7MV串列静电加速器，主要用于背散射、沟道分析、核反应分析、质子激发X射线分析和MeV离子注入；另一台购自英国牛津大学，为2×6MV串列静电加速器，主要作超灵敏质谱分析和低能核物理研究；第三台是该系自己设计制造的4．5MV静电加速器，主要进行有关中子物理的实验研究和质子辐射效应研究。三台加速器所在的实验室经鉴定，1987年成为国家教委开放实验室，1994年又成为国家科委基础研究改革试点单位，1996年进入“211工程”。10年来培养了一大批既有理论知识又有实践经验的本科生、硕士生和博士生，共承担或辅助承担了校内外几十项国家自然科学基金项目，其中有几项重大和重点研究项目。
二、加速器质谱分析
加速器质谱（简称AMS）计，即超灵敏质谱分析，是由常规的质谱技术与核物理实验中粒子加速器技术、离子探测、计数技术相结合，发展成的一种新的灵敏度很高的质谱分析方法。该方法能测定同位素比十分低的元素，能采用毫克质量样品进行分析。它为考古学和地质年代学研究中的放射性断代，提供了有效的分析手段。
质谱分析是根据不同质量和电荷态的离子在电磁场中的不同偏转，来鉴别和测量离子的一种分析方法。
质谱分析的重要参数是质量分辨率和分析灵敏度。质量分辨率是衡量仪器区分元素微小质量的能力，定义为M/△M，对应质量谱线上峰的半高宽。分析灵敏度可由分析所需样品量和分析时间的长短来衡量，使用的样品越少，分析时间越短，表示灵敏度越高，一般用同位素比来衡量。
测定样品中长寿命放射性同位素的含量，能断定样品的历史年代。最常用的放射性元素有10Be、14C、26Al、36Cl和41Ca等，其中以14C放射性断代研究最多。14C是宇宙射线的中子与大气中的N发生14N（n，p）14C核反应时形成的β放射性核素，半衰期为5730年。在自然界中所有活的动、植物体内的14C含量是一定的，生物体死亡后，随着时间增长，14C逐渐衰减，14C/12C比发生变化。所以通过测定14C/12C比，并与参考样品作比较，就能确定生物样品的历史年龄。
目前世界上建立的超灵敏质谱分析系统已有几十台，大多数采用串列加速器组成质谱计。它与别的核分析技术的差别在于，AMS是把待分析物质做成固定形状的样品，用重离子（如Cs＋）轰击，溅射出待分析核素的负离子，然后再经注入系统预分析进入加速器，溅射过程在离子源中完成。
北京大学加速器质谱计于1988年被列为国家自然科学基金重大项目，1992年建成并投入运行，1993年通过国家验收并对外服务，已先后完成了14C、10Be和26Al测量方法的建立，测量样品数千个，在生物学、环境科学、考古学和地学各领域中均有广泛的应用。它先后承担或参加了国家自然科学基金重大项目——“我国干旱、半干旱区15万年来环境演变的动态过程与发展趋势”“现代核分析技术研究及其在若干环境问题中应用的研究”和“晚更新世智人化石年龄的AMS14C法测定与研究”“用10Be研究黄河流域地表土壤侵蚀现状和侵蚀历史”等，及国家南极委攻关项目“南极陨石和宇宙尘的综合研究”等课题。有的样品取量仅为10微克，测试水平和结果都达到了国内外先进水平。
在1996年启动的国家社会发展重大科研项目夏商周断代工程中，该加速器质谱计的改进及14C测量方法的完善被列为其专题之一，14C测量精确度将达到0．3%～0．5%。
我国著名的科学家的吴健雄，在1957年证实弱相互作用中宇称不守恒的60Co的β衰变实验而享誉世界。她认为，物理学同化学一样，是一门实验科学，因而不屈不挠地坚持一切均应以精确的实验为依据。吴健雄像居里夫人那样，自年轻时起就整个地沉浸在实验室和书堆里。从不停顿的实验和探索中去发现、创新，一天又一天，一年又一年。正因为如此她被称为“中国的居里夫人”。也许这正是科学家人生中共同的最大志趣吧！
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