加速器质谱(AMS)是结合了加速器和质谱的分析技术，其基本原理是将待测样品在加速器的离子源中电离，随后将离子束引出并加速，再借助电荷态、荷质比、能量和原子序数的选择，鉴别被加速的离子并加以记录，从而实现同位素比值的测定，可检测极低浓度(自然同位素丰度通常为10-12～10-16量级)的放射性及稳定核素，样品用量少(ng～μg量级)，测量时间短，并有效克服了同量异位素和分子离子等干扰，成为核科学、地质、环境科学领域一种有效的分析技术。
随着自动控制和电子技术等的不断进步，AMS装置正朝着小型化方向发展，由于小型AMS(加速器端电压低于0.5MV)系统不仅具有和大型AMS系统(加速器端电压高于3MV的AMS系统)相同的测量性能，还有着系统稳定、操控简单、占地面积小、维护方便、保养成本低和价格便宜等优势，得到国际上广泛的认可，成为越来越多实验室的常规测量设备。以下主要以MICADAS为例对小型加速器质谱工作原理和主要结构进行简要介绍。
小型加速器质谱组成
AMS主要包括离子源、低能分析系统(注入系统)、加速与气体剥离系统、高能分析系统和探测系统五部分(图1)。AMS通过多技术联用，排除了传统MS存在的分子本底和同量异位素本底的干扰，实现了对自然丰度极低的放射性同位素高灵敏度分析。测量过程如下：首先利用铯溅射离子源将样品电离并引出负离子，抑制同量异位素的产生(1.filter)，经由低能分析系统排除不同质量的负离子(2.filter)，并将目标质量的原子离子和分子离子混合物送入加速器，负离子经前半部分加速器加速后进入加速器中部的气体剥离系统，利用剥离器中的剥离气体将负离子剥离成多电荷态正离子，并瓦解分子离子(3.filter)后继续加速，然后利用由分析磁铁和静电分析器组成的高能分析系统排除不同质量的同位素正离子及分子碎片等干扰本底(4.filter);最后利用气体探测系统鉴别同量异位素(5.filter)，最终实现对目标长寿命放射性核素的高灵敏度分析。
图1 AMS基本结构图
AMS各部分功能分别介绍如下：
1、离子源
AMS一般采用铯溅射负离子源，流强高、发射度小、束流稳定性好、离子转换效率高。被测样品经化学提纯制成单质或化合物靶材，靶材在铯正离子的轰击下被溅射，形成负的原子或分子离子流，在电场的作用下负离子流从离子源被引出。对于处理过的石墨靶，典型的负离子电流为30-50微安(μA)。AMS离子源采用负离子引出可利用不同元素或分子的电子亲和势不同实现部分同量异位素本底的抑制或排除(正离子引出则无法实现此功能)。例如：在14C测量时，由于N的电子亲和势小于0而不能形成稳定负离子，因此在负离子引出阶段就完全排除了同量异位素14N的干扰，为14C的高灵敏测量奠定了基础。
2、低能分析系统(注入系统)
AMS低能分析系统一般采用磁体分析器(MICADAS使用弯曲半径25cm的磁体)对从离子源引出的负离子进行质量分析(图2)，根据不同质荷比的离子在相同磁场中的偏转半径不同，实现对不同离子的分离。为了有效抑制强峰拖尾，部分AMS还在注入系统中增加一个静电分析器以进行能量选择。MICADAS配备了快速光束脉冲系统，能够以非常短的脉冲将离子束注入加速单元，使得12C、13C和14C离子束先后在不同时间段分别测量，如图3(a)所示，该图显示了采用低能磁体扫描不同形态碳同位素的束流与磁体磁场的函数。为了减小分馏，AMS要尽力实现“平顶传输”，就MICADAS而言由于剥离器直径较小，无法完全实现平顶情况。然而在相当宽的磁场强度范围内，观察到稳定的13C/12C和14C/12C同位素比率。由此实现了高质量同位素比测量。
图2 离子源和低能分析系统
图3 MICADAS使用采用低能磁体和高能磁体扫描离子束分别如图(a)和(b)所示。
稳定同位素电流的测量采用位于高能磁体的焦平面的法拉第杯，放射性碳离子的测量是采用气体电离检测器。两种情况下，13C/12C同位素比都观察到良好的平顶情况。
3、加速与气体剥离系统
由于离子源不仅引出原子负离子，同时也将分子负离子同步引出，如13CH和12CH2，质量数与14C相同(图2)。为了排除分子离子的干扰，MICADAS在加速与气体剥离系统的真空腔内采用200kV的端电压对离子进行加速，提高被测核素离子的能量。当负离子在加速器前端初步加速后，高能的带电粒子穿过加速器中端的气体剥离器时，剥离气体分子将与其发生碰撞，将负离子外层电子剥离变成正离子，在此过程中将分子离子瓦解成原子态正离子，仅剩下原子离子被继续加速进入高能分析系统(该剥离过程与粒子的入射能量、介质的种类和气体等效厚度有关)。
图4 加速与气体剥离系统
4、高能质量分析系统
经加速器加速与气体剥离系统后的正离子仍非常复杂，除了被测核素外，还有高丰度同位素离子，以及剥离产生的分子碎片的离子，且所有离子又都具有不同的电荷态与不同的能量。为了锁定特定电荷态的待测核素离子，须对这些高能离子再进行筛选，至少需要两种不同类型分析器的组合。MICADAS高能分析系统包括磁体分析器(类似低能分析系统，为弯曲半径为35cm的磁体)和球形静电分析器(弯曲半径为38厘米，间隙为3厘米)。利用磁场对带电粒子偏转作用实现对高能带电粒子的动量进行分析(选定EM/q2值)，利用带电粒子在静电场中受力的原理，实现对离子的能量分析(选定E/q值)，两者结合即可锁定唯一选定离子质量M与电荷q的比值(M/q)。在磁体分析器的焦平面上装有两个法拉第杯，用于测量稳定碳同位素12C和13C的束流，束流具有平坦的顶部，可获得稳定的13C/12C同位素比，结果如图3(b)所示。
5、探测系统
高能(MeV)带电粒子在气体介质中穿行时，具有不同核电荷离子的能量损失速率不同，该能量损失过程会产生电子-离子对，这些电子和离子可以被探测系统的电极捕获，从而产生电信号，由此实现对同量异位素鉴别。对于小型AMS系统，由于加速器端电压低(≤0.3V)，且剥离后电荷态小(1+)，因此经过加速后离子能量基本在1.2MeV以下，需要采用薄窗型气体电离室，确保离子在穿过薄窗时的能量损失小，从而使得更多能量沉积在探测器的灵敏工作区，有利于提高探测器的信噪比。MICADAS探测器入射窗厚度为50nm，采用5x5mm Si3N4膜，检测器气体为压力约为20hPa的异丁烷。在该条件下，MICADAS对14C可实现7.7%的相对能量分辨率。
随着科技的不断进步，加速器质谱技术未来的发展方向主要包括：精度的提高、测量时间的缩短、测量目标的拓展、设备的小型化和智能化等。这些技术的进步将会推动加速器质谱技术在各个领域的应用和发展。
图5 分析测试中心加速器质谱
(Ionplus-LEA，配置石墨靶和CO2气体进样接口)
加速器质谱石墨化制样设备
AMS的核心技术是抑制本底和减小分馏效应，为了提高样品的利用效率及得到可靠的测量结果，制样技术十分重要，低本底的14C测定严重依赖于石墨样品靶的性能。
(1) 固体样品微量碳石墨化装置
本实验室自主研制固体样品微量碳制备石墨的设备，可以把各种类型固体中碳元素高温氧化成CO2，并富集、纯化和分离后还原制备成石墨，在保证低分馏和低本底空白的情况下，最低石墨制样量可以达到100μg。
图6 分析测试中心-自主研制固体微量碳石墨化制备系统
(2) 气体和液体样品中微量碳石墨化装置
本实验室自主研制将气体样品中CO2和水样中溶解无机碳(DIC)提取、富集和纯化以后，还原制备成石墨样品，在保证低分馏和低本底空白的情况下，最低石墨制样量可以达到100μg。
图7 分析测试中心-自主研制气体和液体样品碳石墨化制备系统
(3) 气体样品中低浓甲烷-CO2转化系统
本实验室自主研制将气体样品中低浓度甲烷纯化、氧化成CO2，富集进一步纯化，分离后进行石墨化制备。
图8 分析测试中心-自主研制气体样品中低浓甲烷-CO2转化系统
(4) 水样中低浓度溶解有机碳(DOC)高温氧化-CO2转化系统
本实验室自主研制将水样中微量的DOC高温氧化转为CO2气体，并同时进行富集，纯化和分离后，用气体样品碳石墨化系统制备转化为石墨样品，进行溶解有机碳14C的测试。
图9 分析测试中心-自主研制水样中DOC高温氧化-CO2系统
(5) 单体化合物分离纯化制备系统(气相色谱-馏分收集和液相色谱-馏分收集)
可以开展环境、生态、地质和生命科学等领域中小分子到大分子化合物的提取，分离、富集和纯化以及石墨化，并进行14C分析测试。
图10 分析测试中心制备型气相色谱系统
(Agilent，6890N，含PTV进样口+馏分收集装置(Gerstel，PFC)
图11 分析测试中心Prep 150制备液相色谱系统
(2545二元梯度管理器+2998 PDA检测器+Prep进样器模块+WFC III馏份收集系统)
图12 分析测试中心Age3石墨化制备装置
(配置元素分析仪+气体制备和液体制备装置)
加速器质谱技术的应用领域
AMS主要用于测量样品中微量的长寿命放射性核素，是目前放射性核素测量灵敏度最高的分析技术，在多个领域有着广泛的应用，包括地质年代学、考古学、医学、材料学、地学、水文学、宇宙学、原子核物理学等。小型加速器质谱法应用最多的是测定14C确定年代和同位素示踪，通过测量样品中的碳同位素，可以确定样品中的年龄以及历史气候变化情况;例如用于极地冰14C年龄测定，直接测定冰气泡中的14C，可以建立长时期冰的时标;用于植物微化石测年，湖积物中植物微化石是研究更新世古气候的重要途径;用于测定海洋底柄有孔虫和浮游有孔虫化石14C的浓度差，可探讨古海洋14C浓度变化及深海水循环速度。加速器质谱技术在医学和生物学领域中也有着广泛的应用。例如，通过测量同位素含量，可以了解药物在体内的代谢情况;通过测量DNA中同位素的含量，可以研究基因组学和人类进化。加速器质谱技术在多个科学领域中发挥着重要作用，其高灵敏度和低样品用量的特点使其成为研究稀有同位素和微量核素的首选方法，为跨学科研究提供了强大的工具，为人类探索科学领域提供更多的可能性。
