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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2024年3月17日发(作者：)

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实验技术　

一

门十分活跃的核分析技术　

一

加速器质谱（ＡＭＳ）最新进展术　

董克君　何　明　姜　山　

（中围原予能科学研究院核物理研究所北京１０２４１３）　

摘要　文章介绍了一门十分活跃的核分析技术——加速器质谱的基本原理、设备与技术发展，以及在地球科学、　

生物医学、环境科学、核天体物理应用方面的最新进展．　

关键词　加速器质谱，应用，发展　

Ａ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｎｕｃｌｅａｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｔｈｅ　ｌａｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ　

ＤＯＮＧ　Ｋｅ—Ｊｕｎ　ＨＥ　Ｍｉｎｇ　ＪＩＡＮＧ　Ｓｈａｎｔ　

（Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ，舶　１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔｓ　ａｐ—　

ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｎｕｃｌｅａｒ　ａｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓ—　

ｃｕｓｓｅｄ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｍａｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

种种原因，这种方法被搁置了几乎４０年．直到１９７７　

年Ｍｕｌｌｅｒ等才首次利用回旋加速器对　ｃ和　Ｈ进行　

了测量，同年ＭｃＭａｓｔｅｒ大学的Ｂｅｎｎｅｔｔ　Ｌ　３ｊ和Ｒｏｃｈｅｓ．　

南非的几个　灰岩山洞堪称人类的摇篮，那里　ｔｅｒ大学的Ｎｅｌｓｏｎ　等领导的两个科学小组，分别　

藏有三分之一的已知人类早期化石．但是由于缺乏　利用静电加速器开展了对Ｈ　ｃ的测量．从此利用各　

火山沉积物定年，没有人能够可靠地为它们在人类　种类型加速器开展的质谱研究工作迅速开展起来．　

演化史中定位．２００３年，Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志第３００期刊登　因为ＡＭＳ对于研究对象的破坏非常有限，稀有的人　

ｒ一篇轰动整个考古学界的文章¨　，文章主要内容　

工品能够被取样确定年而不造成破坏．近年来，通过　

是利用冰河退却的时间，通过测量山洞样本中拍Ａｌ　

对著名的人工品和发现物如耶稣裹尸布、Ｉｃｅ　Ｍａｎ、　

与“’Ｂｅ比值的定年方法为一个含有最完整人类祖先　

ｔｈｅ　Ｄｅａｄ　Ｓｅａ　Ｓｃｒｏｌｌｓ和查理曼大帝王冠等艺术珍品　

骨骸化石的山洞——南非的Ｓｔｅｒｋｆｏｎｔｅｉｎ山洞术定　

的分析０　，ＡＭＳ越来越赢得了广泛的重视．　

年．研究结果认为：在南非发现的南猿化石比已知的　

由于ＡＭＳ具有测量灵敏度高（同位素原子数之　

还要古老，有四百万年历史．而在此项工作中，起着　

比可以达到ｌ０　。）、样品用量少（可以到ｎｇ量级）、　

决定性作用的测量设备就是加速器质谱（ＡＭＳ）．　

其实早在１９３９年，Ａｌｖａｒｅｚ和Ｃｏｒｎｏｇ就利用回　

国家自然科学基金（批准号：１０３７５０９９）资助项｝＝｛　

旋加速器测量了自然界中　Ｈｅ的存在＾２］，但是由于　

２００５一Ｏ７—２７收到初稿，２００５—１２—１４修回　

十　通讯联系人．Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｓ＠ｉｒｉｓ．ｃｉａｅ．ａ（－．ｃｎ　

・

５０８・　

物理　

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实验技术　

测量时间短等优点，所以在国际核分析领域中起着　

越来越重要的作用，其已经发展成了应用范围涉及　

地球科学、生命科学、环境科学等众多科学领域的一　

门十分活跃的核分析技术，而目前还在继续向前稳　

步发展。目前，世界上的ＡＭＳ装置已经接近６Ｏ台，　

其在许多研究领域都发挥着越来越不可替代的作用．　

２　ＡＭＳ基本原理　

典型的ＡＭＳ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ＡＭＳ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　

１４：气体，膜剥离嚣　

１５：头部三单元电四极透镜

１６：二次剥离嚣　

１７：高能加速管　

１８：高能端ＩＸ．ＩＹ导向臻　

１９：高篮端法拉第筒　

３３：靶前法拉第筒　

３４：狭缝　

３５：静电分析器　

３６：微通道扳　

３７：ＡＭＳ靶室　

３８：探测器　

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　

图１　中国原子能科学研究院的ＡＭＳ系统　

姐＼赣婶魁　

加博　Ｈ　８　６　４　２　Ｏ　

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ＡＭＳ通过加速器　

３　设备和技术发展　

３．１设备发展　

将离子加速到ＭｅＶ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　

ｌＯ　以上．通常ＡＭＳ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ＡＭＳ中可以用于消除分子离子干　

扰．在ＭｅＶ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．ＡＭＳ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ＨＣ的同量异位素ＨＮ）不能形成负离子，因此对　

于这些核素来说，ＡＭＳ采用负离子源本身就完全消　

除了同量异位素的干扰；（２）ＡＭＳ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　Ｂｅ和ｍＢ）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　

第一代　第二代　第三代第四代　总数　

图２　ＡＭＳ系统发展及全球分市［第一代为在现有的大型加速　

器基础．ｔ－建立的ＡＭＳ系统；第二代为专用ＡＭＳ系统；第三代为　

复合紧凑型ＡＭＳ系统；第四代为小型ＡＭＳ系统（端电压小于　

ｌＭＶ）］　

磁铁和特征ｘ射线测量等同量异位素分离技术．　

ＡＭＳ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ＭｅＶ能量范围，　

目前，全球ＡＭＳ系统大致经历了４个发展阶段　

（图２）．它可以概括为：ＡＭＳ发展初期，大部分系统　

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　

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ＡＭＳ测量．近　

底，最后由探测器对待测离子进行鉴别和测量．在离　

年来，随着ＡＭＳ技术的不断完善和应用需求的增　

加，一些新建的ＡＭＳ实验室大多引进全套商品化专　

用ＡＭＳ装置．如美国Ｗｏｏｄｓ　Ｈｏｌｅ海洋研究所的　

ＮＯＳＡＭＳ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．　

・

子能量被加速器加速到～ＭｅＶ／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．　

３５卷（２００６年）６期　

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另外，由于大型设备运行维护费用非常高，所以近年　测量灵敏度，另一方面不可避免地会引入干扰．所以　

来ＡＭＳ发展的一个主要趋势是朝着紧凑和低成本　无载体样品分析亦是一个重要的发展趋势．如Ｍａ．　

的小型化、简单化方向发展．如瑞士苏黎士的ＥＴＨ／　

ｄｅｎ等　发明了一种方法将小量的无载体Ｂｅ　

ＰＳＩ—ＡＭＳ实验室与ＮＥＣ公司合作最新研制建立　（１００ｎｇ）沉积在洁净的基体上，然后材料被一个聚　

的端电压２００　ｋＶ专用于　ｃ定年的“桌面”ＡＭＳ系　

焦非常好的ｃｓ束（ＳｔＭＳ离子源）溅射．使用这种方　

统＿６　，需要的总面积约为２×３ｍ　，其２００　ｋＶ的高压　法，样品中原始的ｍＢｅ／　Ｂｅ比值能够被直接测量．另　

通过真空绝缘产生，可以由商用电直接提供电力，这　外一个优点是使用这种方法测量的ｍＢｅ／　Ｂｅ比值比　

可谓是世界上目前最小的迷你型ＡＭＳ系统．而ＮＥＣ　加载体要低３—５个数量级．　

最近推出的一种新的ＡＭＳ系统——单级ＡＭＳ　目前，ＡＭＳ系统的发展逐渐趋向于小型化和低　

（ＳＳＡＭＳ）系统，它不需要加速级，而是直接在离子　

能化．对于小型的系统，本底是一个限制因素，同量　

源或者探测系统部分加上一个高压腔．第一台设备　异位素ｍ／ｑ不容易区分，同时，相邻同位素的干扰　

目前已被安装在瑞典的Ｌｕｎｄ地球生物科学中心，专　也不得不考虑．所以，能够提供好的能量分辨或离子　

用于考古学研究，其设计目标是达到５％ｖ的测量精　鉴别的探测器对于ＡＭＳ测量是非常重要的．随着薄　

度，如果它能达到设计标准，这个系统的下一步发展　

的类金刚石碳膜（０．５＿＿ｏ．７￣ｇ／ｃｍ　）的发明，ＡＭＳ测　

将很值得关注．ＡＭＳ的商业化运营也是目前一个新　量技术也在不断取得令人瞩目的进展　。。．另外，非　

的发展趋势，从２０世纪９０年代末期开始，由ＮＥＣ、　常薄的氮化硅膜也已经被发展用于半导体探测器技　

ＨＶＥＥ和Ｎｅｗｔｏｎ　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ发展了许多小型ＡＭＳ系　

术，这种类型的薄膜对于低能ＡＭＳ非常重要¨　．对　

统，这些设备大部分都能测量超过８０００个样品／年．　

于一个气体探测器，相对于Ｍｙｌａｒ膜或者聚丙烯膜，　

一

般来说，每个样品的测试费用约为５００美元．这对　通过窗的能量损失被减少３　倍．近年来中国原子　

于推动ＡＭＳ的发展无疑是一个非常好的源动力．　能科学研究院的ＡＭＳ实验室在探测技术的发展方　

ＡＭＳ近年来在我国也得到了较大的发展，如北　

面开展了大量的工作．如ＰＸ—ＡＭＳ（入射粒子ｘ射　

京大学在已有的端电压为６ＭＶ的ＡＭＳ基础上，于　

线）方法¨　以及ＧＦ・ＴＯＦ（充气飞行时间）等对于　

２００４年引进的一台端电压０．５ＭＶ专用于ＨＣ测量　ＡＭＳ测量中的粒子鉴别都是十分有效的新型方　

的ＡＭＳ装置，中国科学院西安地球环境研究所也在　

法　１３，１４］．　

最近引进了一台专用于ＨＣ和ｍＢｅ测量的端电压为　

３ＭＶ的ＡＭＳ装置．另外，中国原子能科学研究院目　

４　应用进展　

前正在筹建一台端电压为６ＭＶ的ＡＭＳ装置，其目　

标是测量目前ＡＭＳ所能测量的全部核素．　近年来，随着试验设备与技术的不断发展和试　

验设计灵活Ｉ生的增加，ＡＭＳ所能测量的核素也越来　

３．２技术发展　

越多，随之而来的是其应用领域也越来越广．由于　

技术发展主要涉及离子源改进、简化制样流程　

ＡＭＳ应用范围非常广泛，本文不可能对其进行全面　

和提高测量灵敏度．由于固体溅射负离子源可以降　

总结，仅就近年来其应用的最新进展举例作一简要　

低同量异位素的干扰，交叉干扰低，而且对于ＡＭＳ　

说明．　

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ＡＭＳ系统所采用．在过去几年没有较大　

４．１考古学研究　

变化，其性能和可靠性目前仍在继续完善．对于ＨＣ　

ＡＭＳ在地学中的应用较为广泛，涉及地质、考　

的测量来说，气体源能直接把ＣＯ：气体转换成碳负　古、水文、海洋、冰川、古气候、古地磁等多个方面．宇　

离子束，可以简化样品制备．虽然Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ在大约　宙射线在大气表层引发核反应生产的ｍＢｅ，　。Ａ１，　ｃｌ　

２０多年前就已经介绍了此类ＡＭＳ气体源　．但是　等放射性核素，经过沉降过程到达地球表面，地球上　

直到最近才由Ｐａｕｌ　Ｌ．Ｓｋｉｐｐｅｒ等调试完成，其测量　

许多物质中很好地保存着这些放射性核素数万年以　

的样品量可以减小到５０ｎｇ　．样品制备属于ＡＭＳ　

来的连续记录．放射性核素的产率和沉降过程受太　

整体系统的一部分，是非常关键的环节．在ＡＭＳ测　

阳活动、地磁变化、气候等因素的影响．利用ＡＭＳ对　

量中，一般需要在样品制备过程中加入载体把需要　

这些物质中放射性核素的浓度进行高灵敏测量，可　

测量的核素提取出来，这样一方面影响了对样品的　

以获得地形演变、古地磁、太阳活动、古气候等的相　

物理　

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实验技术　

关信息，如北京大学的Ｈｃ一夏商周断代研究¨　，中　

国原子能科学研究院目前正在开展的洛川黄土中…Ｂｅ　

与　。Ａ１的测量¨引等．这方面的一个典型应用是通过　

在致癌物（石棉）作用下细胞胞浆内Ｃａ¨增加的来　

源　．研究表明，当细胞受到致癌物（石棉）刺激时，　

细胞胞浆内Ｃａ　增加的来源既有细胞外钙的供给，　

也有细胞内钙库的释放¨２　．这为研究致癌物引发癌　

对断层崖中个体滑落事件的定年重新构建当地地震　

的历史．因为研究地质构造活动区域发生的断层崖、　

河道截流和山体的迅速上升等都可以推演出地貌景　

观的迅速演变过程．由于这些宇宙成因核素的含量　

非常低，为了对模型进行详细验证，需要密集的采样　

和非常高的测量灵敏度，所以ＡＭＳ是开展这类工作　

的理想方法．Ｂｅｎｅｄｅｔｔｉ等通过在斯巴达地区间隔１Ｏ　

ｋｍ的两个断层崖高度约１０ｍ处，每间隔１０　ｃｍ取　

样，使用　ｃｌ进行定年，取得了令人振奋的研究结　

果¨　．即：在全新世（地质年代）期间，断层平均大约　

每２０００年发生一次，每次事件形成一个２　ｍ的断层　

滑落．最近的事件距今２８００年，这个结果在不确定度　

症的机理提供了非常有意义的试验数据．Ｙｕｍｏｔｏ等　

使用　Ａｌ作为示踪剂研究了哺乳期小鼠体内Ａｌ的　

沉积情况　，为Ａｌ导致相关疾病的研究提供了有　

用的试验依据．　

目前，中国原子能科学研究院的ＡＭＳ实验室正　

在开展　Ｃａ示踪研究镓盐治疗对骨质疏松症的影　

响　］，　ｚｒ，　Ｓｍ等核素的ＡＭＳ测量和生物示踪方　

面的工作．这些工作在国际上都属于ＡＭＳ技术应用　

的前沿课题．　

４．３环境监测　

环境监测主要涉及全球环境变化的测定、监测　

内与公元前４６４年比较相符．根据希腊历史学家记　

载，当时这里曾发生过人类历史上规模最大的地震，　

除了五问房屋外，城镇所有建筑全部倒塌，紧接着爆　

发了斯巴达人的起义．根据断层尺寸，可以估计当时　

的地震大约为里氏７级．所以说，地貌演变的历史被　

城市气体污染以及监测来自核设施的释放．　ｃ是　

环境监测的主要核素之一，这方面的应用目前仍在　

继续发展与完善　，并进一步扩展到多环芳香族　

的碳水化合物　．而近年来随着ＡＭＳ可测量核素　

的增加，越来越多的核素被应用于全球环境监测．如　

记录在岩石中，这为研究历史事件提供了新的信息．　

４．２生物医学示踪　

随着核应用事业的不断发展（如核电站），虽然为人　

类的生活带来了很多好处，但是放射性核燃料的回　

收和意外事故释放出的长寿命放射性核素也日益威　

ＡＭＳ在生物医学中的应用开展于２０世纪９０　

年代初期，Ｆｅｈｏｎ等首次采用ＨＣ—ＡＭＳ方法研究致癌　

物ＭｅｌＱｘ与小鼠体内ＤＮＡ的加合作用¨　．随后，　

胁着人类的健康．而且２Ｏ世纪五六十年代军备竞赛　

时遗留下来的长寿命放射性核素仍在环境中大量存　

在．如何对这些长寿命产物进行定量和后续处理，并　

且通过人类生活区域的食物链对其进行跟踪，高灵　

敏的ＡＭＳ起着重要作用．用于这方面研究的主要核　

素有　Ｕ、　Ｐｕ、　Ｐｕ、　Ｉ和鲫Ｔｃ等．如在Ｏｂ河和　

Ｙｅｎｉｓｅｙ河的交界处发现了前苏联的核武器生产和　

处理工厂，Ｍａｙａｋ工厂和Ｋｒａｓｎｏｙａｒｓｋ工厂．Ｍａｙａｋ河　

和Ｔｏｍｓｋ河是０ｂ的支流，而Ｋｒａｓｎｏｙａｒｓｋ位于Ｙｅｎｉ－　

ｓｅｙ．每一个都有可能通过河流系统把长寿命放射性　

ＡＭＳ应用于生物医学的研究迅速发展，相关的核素　

有ＨＣ，拍Ａｌ，　’ｃａ，　ｓｉ，　Ｔｃ，　Ｐｕ等．其内容涉及到毒　

理学、药理学、生理学、营养学以及生物化学等诸多　

领域，并在研究的广度和深度上不断扩展和创新．近　

年来，随着Ｂｉｏ．ＡＭＳ技术与设备的不断发展，ＡＭＳ　

在生物医学中的应用研究也朝着低剂量示踪与高灵　

敏方向发展，并呈现出多元化倾向，如李宏利等在北　

京大学ＡＭＳ系统上开展的环境级有毒物质与生物　

大分子加合作用研究，可以检测出ｌ０“个ＤＮＡ分子　

中的一个加合毒物分子，比常规放射免疫分析方法　

可接受的最低剂量要低３＿＿４个数量级¨　．最近使　

用老鼠为研究对象，研究了　ｃ标记的硝基苯与小　

核素带入北冰洋．另外，在Ｎｏｖａｙａ　Ｚｅｍｌｙａ的大气核　

测试产生的原子尘也将对北极区产生影响．为了探　

测目前处理工厂是否产生任何影响，澳大利亚国立　

大学与挪威农业大学之间合作，对取自０ｂ和Ｙｅｎｉ—　

ｓｅｙ两条河河口的水和沉积物中Ｐｕ的浓度和同位　

素比值进行了测量．结果显示，０ｂ河口的Ｐｕ元素仅　

仅来自于原子尘，而Ｙｅｎｉｓｅｙ河口的钚则具有明显　

的武器原料特征，由此推测其来自于Ｋｒａｓｎｏｙａｒｓｋ工　

鼠肝ＤＮＡ、血红蛋白的加合作用．结果显示，硝基苯　

与血红蛋白、ＤＮＡ在体内存在加合，并且随着剂量　

的增加，加合数也明显增加心　．另外，　ｃａ、　。Ａｌ等核　

素的生物医学应用也不断出现新的发展趋势，如姜　

山等利用ＨＩ。１３串列ＡＭＳ装置开展的使用　ｃａ作　

为生物示踪剂，以人体肺细胞为研究对象，研究细胞　

３５卷（２００６年）６期　

厂【２　．另外有资料表明，英国Ｓｅｌｌａｆｉｅｌｄ核废物处理　

场曾把超过１吨的　Ｔｅ排放到北部海洋．虽然目前　

ｈｔｔｐ：Ｉｌｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ＣＩ１　

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的计算结果显示　Ｔｃ产生的放射性风险不会对当地　

同，从而导致同位素信号并不相关　．因此，测量一　

人们的生活产生影响，但是科学研究表明，甲壳类和　

个超新星事件中产生的几个放射性核素信号可以有　

贝类在生长过程中从周围的海水中汲取了大量的同　

助于更好地了解爆炸核合成的机制．因为半衰期较长，　

位素，生活在爱尔兰海滨的人们食用的海产品中的　

所以　Ｈｆ［ｔ　＝（９　４－２）Ｍａ］的一个优点是可能探测　

放射性剂量估计目前大部分来自于　的贡献．然　

的来自于超新星的事件信号远长于　Ｆｅ（ｔ　＝　

而，人们从这种天然来源摄人的同位素及其后来对　

１．６Ｍａ）．　

身体产生的影响并不是目前就能知道的．因为鲫Ｔｃ　

当然，ＡＭＳ技术在核天体物理其他方面的应用　

已经通过自然过程与海洋环境融为一体，因此可以　

近年来也取得了显著的成效．如Ｈｉｒｏｋｏ　Ｍｉｙａｈａｒａ等　

通过一些与之相关的环境样品或个体研究　Ｔｃ的摄　

通过测量树木年轮中放射性碳的含量，研究太阳的　

人和排泄，这方面的研究工作正在进行中　ｊ．由于　１１ｃ　

活动性，Ｍｉｏｄｒａｇ　Ｋ．Ｐａｖｉｃｅｖｉｃ等通过测量石英中　

在环境或个体中的浓度非常低，高灵敏度的ＡＭＳ为　的拍Ａｌ，估算ＬＯＲＥＸ地球化学太阳中微子试验中的　

这方面的研究提供了理想的｛贝４量方法．　

宇宙射线本底　，姜山、何明等通过ＡＭＳ方法测量　

我国的ＡＭＳ实验室在此方面也开展了大量的　

中微子探测器材料中的放射性杂质　，以及通过测　

工作，如蒋崧生等曾测量我国连山关铀矿矿床附近　量　Ｎ（　Ｏ，　）　Ａｌ的反应截面研究星际　Ａｌ的来　

地下水中的拍Ｃ１／Ｃ１，从而了解地下水的污染和走　

源　等，都属于当前国际上的热点问题．　

向　，对高放射性环境周边地区的地表水和地面水　

中的　Ｉ进行了测量，结论认为：高放射性周边环境　

５　总结　

水中　Ｉ的含量为１０　ａｔｏｍｓ／Ｌ到１０　ａｔｏｍｓ／Ｌ，这为　

核污染检测提供了非常有用的试验数据　；在郭之　

从ＡＭＳ二十几年的发展历程看，其已经由刚开　

虞等开展的大气气溶胶污染物来源的研究中，对含　

始的ＨｃＮ量，发展到今天ｍＢｅ，　Ｉ，”Ｃｌ，　ｃａ，　Ａｌ，　

有大量环境信息的地质层位进行Ｈ　Ｃ测量，并给出　

Ｎｉ，９９　Ｓｉ，　∞Ｐｕ２４０Ｐｕ

２４４Ｐｕ

。　

。６Ｕ

．　，，，　

Ｚｒ。　Ｓｍ，　

ｒ精细的年代序列，这非常有助于了解过去数万年　

Ⅲ等众多核素的测量，而应用也由最初的核物理　

来环境变化及其发展趋势　；最近，何明等正在利　

研究发展到目前涉及地球科学、核物理与核天体物　

用ＡＭＳ开展反应堆废水中　．ｒｃ含量的测定工　

理、生命科学、考古学、环境科学等众多科学技术领　

作㈨３４．　

域，并逐步延伸到放射性药物研究、半导体、矿物勘　

探和其他科学和技术分支的一门十分活跃的核分析　

４．４核天体物理研究　

技术．由此可以看出，ＡＭＳ这种核分析技术巨大的　

ＡＭＳ测量陨星中长寿命核索的历史几乎同其　

发展潜力与广阔的应用前景．　

技术本身一样长．近年来，利用ＡＭＳ非常高的灵敏　

目前，ＡＭＳ技术及其应用仍在以不可阻挡之势　

度去搜寻过去几百万年内超新星爆发附近的证据，　

蓬勃发展，并正在对全球气候、环境　亏染、公众健康　

成为ＡＭＳ在核天体物理中的主要应用之一．Ｋｎｉｅ　

和国际性的核材料安全防护等热点问题的研究做出　

等　曾利用ＡＭＳ方法对增长率只有几个ｍｍ／Ｍａ　

越来越大贡献．我们有理由相信，ＡＭＳ必将在以后　

（Ｍａ为兆年）的南太平洋水下１３００　ｉｎ深处锰铁地　

的科学技术发展中发挥越来越重要的作用．　

壳样品中的叫　进行了研究．研究结果表明，大约５　

参考文献　

Ｍａ前，在距离太阳系大约３Ｏ　ｐｃ（秒差距）远的地方　

［１］Ｐａｒｔｒｉｄｇｅ　Ｔ　Ｃ，Ｇｒａｎｇｅｒ　Ｄ　Ｅ，Ｃａｆｆｅｅ　Ｍ　Ｗ　ｅｔ　ａ１．Ｓｃｉｅｎｃｅ，　

曾经发生过一次超新星爆发．最近，Ｖｏｃｋｅｎｈｕｂｅｒ等　

２００３，３００：６０７　

正在使用　Ｈｆ研究超新星的爆发　．他们认为，在　

［２］Ａｌｖａｒｅｚ　Ｌ　Ｗ，Ｃｏｒｎｏｇ　Ｒ．Ｐｈｙｓ　Ｒｅｖ，１９３９，５６：３７９　

　Ｉ３　ｌ　Ｂｅｎｎｅｔｔ　Ｃ　Ｌ，Ｂｅｕｋｅｎ　Ｒ　Ｐ　ｅｔ　ａ１．Ｓｃｉｅｎｃｅ。ｌ９７７，１９８：５０８　

超新星爆发期间，一定量的　Ｈｆ将被注入到周围的　

［４］Ｎｅｌｓｏｎ　Ｄ　Ｅ。Ｋｏｔｒｅｌｉｎｇ　Ｒ　Ｇ　ｅｔ　ａ１．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７７，１９８：５０７　

星际物质．如果此类事件发生在地球附近　Ｈｆ的几　

［５］Ｆｉｆｉｅｌｄ　Ｌ　Ｋ．Ｒｅｐ．Ｐｒｏｇ。Ｐｈｙｓ．，１９９９。６２：１２２３　

个半衰期之内，记录下来的信息应该被探测到．事实　

［６］Ｓｙｎａｌ　Ｈ　Ａ，Ｄｏｂｅｌｉ　Ｍ，Ｊａｃｏｂ　Ｓ　ｅｔ　ａｌ。Ｎｕｃ１．１ｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，　

２００４，Ｂ２２３—２２４：３３９　

上，自然界原始产生的　Ｈｆ已经衰变完，而超新星　

ｌ　７］Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ　Ｒ．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｌｒ．Ｍｅｔｈ．．１９８４，Ｂ５：１９３　

爆发是目前知道的　Ｈｆ的唯一产生源，这就使得蝎　

［８］Ｓｋｉｐｐｅｒ　Ｐ　Ｌ，Ｈｕ　ｅｙ　Ｂ　Ｊ，Ｌｉｂｅｒｍａｎ　Ｒ　Ｇ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ，１．１ｎｓｔｒ．　

Ｈｆ可以作为一个在地球附近１亿年内理想的超新　

Ｍｅｔｈ．，２００４，Ｂ２２３—２２４：７４０　

［９］Ｍａｄｅｎ　Ｃ，Ｄｏｂｅｌｉ　Ｍ，Ｋｕｂｉｋ　Ｐ　Ｗ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ，Ｍｅｔｈ。．　

星爆发指示剂．由于　Ｈｆ和硼Ｆｅ的恒星产生机制不　

２００４。Ｂ２２３—２２４：２４７　

物理　

维普资讯

实验技术　

［１Ｏ］Ｖｏｃｋｅｎｈｕｂｅｒ　Ｃ，Ａｈｍａｄ　Ｉ，Ｇｏｌｓｅｒ　Ｒ　ｅｌ　ａ１．１ｏｔ．Ｊｏｕｒ．Ｍａｓｓ　

Ｓｐｅｃ．，２００３，２２３：７１３　

『２６］　Ｂｕｃｈｈｏｌｚ　Ｂ　Ａ，Ｍｕｅｌｌｅｒ　Ｃ　Ｊ，Ｍａｒｔｉｎ　Ｇ　Ｃ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．　

ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．．２００４，Ｂ２２３—２２４：８３７　

［１　１］Ｓｔｏｃｋｅｒ　Ｍ，Ｂｅｒｔｓｃｈｉｎｇｅｒ　Ｒ，Ｄｏｂｅｌｉ　Ｍ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．　

Ｍｅｔｈ．，２００４，Ｂ２２３—２２４：１０４　

［２７］　Ｎａｇａｏ　Ｓ，Ａｒａｍａｋｉ，Ｆｕｊｉｔａｋｅ　Ｎ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ１．１ｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，　

２００４，Ｂ２２３—２２４：８４８　

［Ｊ２］Ｈｅ　Ｍ，Ｊｉａｎｇ　Ｓ　Ｊｉａｎｇ　Ｓ　Ｓ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．１ｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ，２００４，　

Ｂ２２３—２２４：７８　

『２８］　Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ　Ｋ．Ｕｃｈｉｄａ　Ｍ，Ｋａｗａｍｕｒａ　Ｋ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．　

Ｍｅｔｈ．。２００４，Ｂ２２３—２２４：８４２　

［１３］Ｊｉａｎｇ　Ｓ，Ｈｅ　Ｍ，Ｊｉａｎｇ　Ｓ　Ｓ　ｅｌ　ａｌ，Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．，　

２０００，Ｂｌ７２：８７；Ｒｕａｎ　Ｘ　Ｄ，Ｇｕａｎ　Ｙ　Ｊ。Ｈｅ　Ｍ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎ－　

ｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，２００４，Ｂ２２３—２２４：１７２　

［２９］Ｓｋｉｐｐｅｒｕｄ　Ｌ，Ｂｒｏｗｎ　Ｊ，Ｆｉｆｉｅｌｄ　Ｌ　Ｋ　ｌｅ　ａ１．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｒａｄｉ－　

ｏａｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｒｃｔｉｃ　ａｎｄ　Ａｎｔａｒｃｔｉｃ．ＮＲＰＡ：Ｏｓｌｏ，２００２，２９７　

［３０］Ｗａｃｋｅｒ　Ｌ，Ｆｉｉｆｅｌｄ　Ｌ　Ｋ，Ｔｉｏｓｒ　Ｓ　Ｇ．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，２００４，　

Ｂ２２３—２２４：１８５　

［１４］Ｇｕａｎ　Ｙ　Ｊ，Ｒｕａｎ　Ｘ　Ｄ。Ｈｅ　Ｍ　ｅｔ　ａ１．１Ｏｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒ—　

ｅｎｃｃ　ｏｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５　

［３１］Ｊｉｎｇａ　Ｓ　Ｈ，Ｊｉｎｇ　ａＳ，Ｇｕｏ　Ｈ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，１９９４，　

Ｂ９２：３８５　

［１５］Ｗｕ　Ｘ　Ｈ，Ｙｕａｎ　Ｓ　ｘ，Ｗａｎｇ　Ｊ　Ｘ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃｌ　ｌｎｓｔｒ　Ｍｅｔｈ．，　

２０００．Ｂ１７２：７３２　

［３２］Ｊｉａｎｇ　Ｓ　Ｈ，Ｈｅ　Ｍ．Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔｅｒ．Ｅｉｇｈｔｈ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｃｏｎｆ．ａｎｄ　ｅｘｈｉ－　

ｂｉｔｉｏｎ　ｏｎ　ＩｎｓｔｍｍｅｎｔａＩ　Ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｂ：Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｍｍｅｔｒｖ．Ｏｃｔ．　

２５—２８．１９９９．ｂ１０５　

［１６］Ｌｉｎ　Ｍ，Ｄｉｎｇ　Ｙ　Ｑ，Ｊｉａｎｇ　Ｓ　ａ１．１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　

ｏｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５，５—１０　

［１　７］Ｂｅｎｅｄｅｔｔｉ　Ｌ，Ｆｉｎｋｅｌ　Ｒ，Ｐａｐａｎａｓｔａｓｓｉｏｕ　Ｄ　ｅｔ　ａ１．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．　

Ｌｅｔｔ．２００２，Ｂ２９：８７　

［３３］Ｇｕｏ　Ｚ　Ｙ，Ｌｉｕ　ＫＸ，ＬｕＸ　Ｙｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，２０００　

，

Ｂ１７２：７２４　

［１８］Ｆｅｈｏｎ　Ｊ　Ｓ，Ｔｕｒｌｄａｕｂ　Ｋ　Ｗ，Ｖｏｇｅｌ　Ｊ　Ｓ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｅ１．Ｉｎｓｔｒ．　

Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１９９０，Ｂ５２：５ｌ７　

［３４］Ｈｅ　Ｍ，Ｐｅｎｇ　Ｂ，Ｊｉａｎｇ　Ｓ　ｅｔ　ａ１．１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　

Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ．２００５．５—１Ｏ　

［１９］Ｌｉ　Ｈ　Ｌ，Ｃｈｅｎｇ　Ｙ，Ｗａｎｇ　Ｈ　Ｆ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｓｏ－　

ｔｏｐｅｓ．，２００３，Ｂ５８：２９１　

［３５］　Ｋｎｉｅ　Ｋ，Ｋｏｒｓｃｈｉｎｅｋ　Ｔ，Ｆａｅｓｔｅｍａａｎｎ　Ｃ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ＋，　

１９９９，Ｂ８３：１　８　

［２０］Ｘｕｅ　Ｂ，Ｗａｎｇ　Ｈ　Ｆ，Ｘｕ　Ｌ　Ｈ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，２００４，　

Ｂ２２３—２２４：７６５　

［３６］　Ｖｏｃｋｅｎｈｕｂｅｒ　Ｃ．Ｂｉｃｈｌｅｒ　Ｍ，Ｇｏｌｓｅｉ・Ｒ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．　

Ｍｅｔｈ．，２００４，Ｂ２２３—２２４：８２３　

［２１］Ｊｉａｎｇ　Ｓ，Ｈｅ　Ｍ，Ｄｏｎｇ　Ｋ　Ｊ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，２００４，　

Ｂ２２３—２２４：７５０　

［３７］Ｍｅｙｅｒ　Ｂ　Ｓ，Ｃｌａｙｔｏｎ　Ｄ　Ｄ．Ｓｐａｃｅ　Ｓｃｉ．Ｒｅｖ．，２０００，Ｂ９２：１３３　

［３８］Ｍｉｙａｈａｒａ　Ｈ，Ｍａｓｕｄａ　Ｋ，Ｍｕｒａｋｉ　Ｙ　ｅｔ　ａｌ，Ｎｕｅｌ，Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，　

２Ｏ０４．Ｂ２２３—２２４：６５５　

［２２］Ｄｏｎｇ　Ｋ　Ｊ，Ｈｅ　Ｍ，Ｗｕ　Ｓ　Ｙ　ｅｌ　ａ１．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　

２００４，２ｌ（１）：５ｌ　

［３９　１　Ｐａｖｉｃｅｖｉｃ　Ｍ　Ｋ．Ｗｉｌｄ　Ｅ　Ｍ．Ａｍｔｈａｕｅｒ　Ｇ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．１ｎｓｔｒ．　

ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．，２００４，Ｂ２２３—２２４：６６０　

［２３］Ｙｕｍｏｔｏ　Ｓ，Ｎａｇａｉ　Ｈ，Ｋｏｂａｙａｓｈｉ　Ｋ　ｅｌ　ａ１．Ｎｕｃ１．１ｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．，　

２００４，Ｂ２２３—２２４：７５４　

［４０］Ｄｏｎｇ　Ｋ　Ｊ，Ｈｅ　Ｍ，Ｌｉ　Ｓ　Ｈ　ｅｔ　ａ１．１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　

ｏｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５　

『２４］Ｌｉ　Ｓ　Ｈ．Ｈｅ　Ｍ，Ｇｕａｎ　Ｙ　Ｊ　ｅｌ　ａ１．１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　

ｏｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５　

［４Ｉ］ＨｅＭ，Ｊｕ　ｚ　Ｐ，Ｊｉａｎｇ　Ｓｅｌ　ａ１．１０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　

Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５　

［２５］Ｓｚｉｄａｔ　Ｓ，Ｊｅｎｋ　Ｔ　Ｍ，Ｇａｇｇｅｌｅｒ　Ｈ　Ｗ　ｅｔ　ａ１．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ　

Ｍｅｔｈ．，２Ｏ０４．Ｂ２２３—２２４：８２９　

・

物理新闻和动态・　

初级的光子量子网络　

普通的计算机以比特的形式存储和发送信息，其值可为１或０．随着电子学组件变小，物理学家们提出可用某种具有两个　

能级的量子系统来存贮和发送信息＋这些系统包括光子的水平的或垂直的偏振态，或者电子自旋向上或向下的态＋　

这些量子比特的特点在于可以同时存在于两种可能的状态中，即所谓的叠加现象．这意味着对于某些任务来说，量子计　

算机原则上可能胜过普通的计算机．量子计算机的另一个特点是量子纠缠＋纠缠使得粒子之问的关系比经典物理所容许的更　

为紧密：如果两个粒子发生纠缠，我们可以通过测量其中一个粒子的状态而得知另一个粒子的状态．　

光子是作为量子比特的好的候选粒子，因为它们可以穿过很长的距离而很少与周围环境发生相互作用，这种相互作用会　

使粒子从具有量子特性的粒子转变为经典粒子．此外光子可以贮存很长的时间．但是，为使这种技术可行，科学家必须能对单　

个的光子进行操作，而这种操作至今还没有成功．　

哈佛大学的Ｍａｔｔｈｅｗ　Ｅｉｓａｍａｎ等与Ｇｅｏｒｇｉａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ的Ａｌｅｘ　Ｋｕｚｍｉｃｎ等各自独立地使用激光和电磁阱在一个　

原子系统中产生了一个单个的光子，然后将这个光子送到另一个系统中＋他们可以将这个光子存储入其中，并能再取出它．两　

个实验的差别在于，前者使用了常温下的铷一８７原子，而后者使用的是超低温下的铷一８５原子（两者的论文分别发表在Ｎａ—　

ｔｕｒｅ　２００５年第４３８卷第８３７页和８３３页）．研究人员证实，在贮存之后，所产生的和取出的光子保持着量子性＋　

加州理工学院和Ｂｅｌｌ实验室的Ｊｅｆｆ　Ｋｉｍｂｌｅ等首次演示了物质的一个存贮的原子态可以转变成光的纠缠态（见Ｎａｔｕｒｅ　

２００５年第４３８卷第８２８页）．这些实验对于用原子系统制造可升级的量子通信网络将是非常重要的．　

（树华　编译自Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｗｅｂ　Ｎｅｗｓ，７　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００５）　

３５卷（２００６年）６期　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｕｌｉ＋ａｓ．ｅｎ　・５１３・　

本文标签： 研究测量发展技术系统