ספקטרומטריה המונית של מאיץ
התפתחות
מאיצי החלקיקים המשמשים בפיזיקה גרעינית ניתן לראות כספקטרומטרים המוניים של צורות מעוותות למדי, אך שלושת האלמנטים העיקריים - מקור היונים, מנתח הגלאי - נמצאים תמיד. LW אלווארז ורוברט קורנוג מארצות הברית השתמשו לראשונה במאיץ כספקטרומטר המוני בשנת 1939 כשהעסיקו ציקלוטרון כדי להדגים שהליום 3 (3 He) יציב ולא מימן 3 (3ח) שאלה חשובה בפיזיקה גרעינית באותה תקופה. הם הראו גם שהליום -3 הוא מרכיב של הליום טבעי. השיטה שלהם הייתה זהה לזו שתוארה לעיל עבור אומגה, פרט לכך שמשמש ציקלוטרון בגודל מלא, והיא הבחינה בקלות בין שני האיזוטופים. השיטה לא הופעלה שוב כמעט 40 שנה; עם זאת, הוא מצא יישום במדידת איזוטופים קוסמוגניים, הרדיואיזוטופים המיוצרים על ידי קרניים קוסמיות המתרחשות על כדור הארץ או על עצמים פלנטריים. איזוטופים אלה נדירים ביותר, ויש להם שפע בסדר גודל של מיליון מליון מהיסוד היבשתי המקביל, שהוא יחס איזוטופי הרבה מעבר ליכולותיהם של ספקטרומטרים המוניים רגילים. אם חיי מחצית החיים של איזוטופ קוסמוגני הם קצרים יחסית, כגון בריליום -7 (7 Be; 53 יום) או פחמן -14 (14 צלזיוס; 5,730 שנה), ניתן לקבוע את ריכוזו במדגם על ידי ספירה רדיואקטיבית; אבל אם אורך החיים הוא ארוך, כמו בריליום -10 (10 Be; 1.5 מיליון שנה) או כלור -36 (36 Cl; 0.3 מיליון שנים), מסלול כזה אינו יעיל. היתרון של ספקטרומטר המונים של מאיץ ההאצה הגדול והגדול הוא הסלקטיביות הגדולה של הגלאים הנובעת מיונים שיש להם פי אלף יותר אנרגיה מכפי שכל מכונה זמינה בעבר הייתה יכולה לספק. ספקטרומטרים המוניים קונבנציונליים מתקשים למדוד שפע הנמצא פחות ממאה אלף מאיזוטופ ההתייחסות, מכיוון שיונים מפריעים מפוזרים למקום המנתח בו יש לחפש איזוטופ בשפע נמוך. קיצוניות של אמצעי זהירות גבוהים בוואקום ופיזור יכולים לשפר זאת על ידי גורם של 10 אך לא את הגודל של 100 מיליון הנדרש. מאיץ סובל מפגם זה במידה רבה עוד יותר, וכמויות גדולות של יוני "זבל" נמצאים במתחם הצפוי של האיזוטופ הקוסמוגני. היכולת של סוגים מסוימים של גלאי חלקיקים גרעיניים לזהות את היון הרלוונטי באופן חד משמעי מאפשרת לספקטרומטר המסה של המאיץ להתגבר על החיסרון הזה ולתפקד ככלי אנליטי חזק.
הפעלת דוושת הגז האלקטרוסטטית
המאיץ האלקטרוסטטי הטנדם (ראו מאיץ החלקיקים: גנרטורים של ואן דה גראף) עקק במהירות את כל המכונות האחרות למטרה זו, בעיקר מכיוון שמקור היונים שלה, מקור התריס של צזיום המתואר לעיל, ממוקם בקרבת פוטנציאל הקרקע ונגיש בקלות לשינוי דגימות. היונים חייבים להיות שליליים, אך זה לא מוכיח כנכות שכן הם מיוצרים בקלות וביעילות. לפני הכניסה לצינור המתח הגבוה, היונים מנותחים באופן המוני כך שרק הקורה המגיחה במקום המוני של האיזוטופ הקוסמוגני נכנסת למאיץ; לעתים קרובות נמדדת קרן איזוטופ ההתייחסות האינטנסיבית במיקום זה מבלי להיכנס כלל למאיץ. קרן האיזוטופ הקוסמוגנית נמשכת אל מסוף המתח הגבוה של המכונה שם התנגשויות עם גז או רדיד פחמן דק או שניהם מפשלים מספרים שונים של אלקטרונים, ובכך משאירה את האיזוטופ הנושא עם חלוקה של מצבי טעינה חיוביים מרובים שנדחים על ידי מסוף טעון חיובי. כל היונים המולקולריים נשברים. הקורה המתהווה עוברת אז דרך ניתוח שדות אשר מגנט פיזור גבוה הוא החלק העיקרי שלהם. לאחר היציאה מהנתח, הקורה נכנסת לגלאי. כל יון נבדק באופן פרטני באופן המאפשר לבסס את זהותו. הדרך הנפוצה ביותר לעשות זאת היא באמצעות שילוב של שני גלאי חלקיקים: גלאי אחד מודד את הקצב בו החלקיק מאבד אנרגיה בעת מעבר לאורך נתון של חומר, ואילו השני מודד בו זמנית את האנרגיה הכוללת של החלקיק. הספירות מאוחסנות בפחים של מערך מחשב דו ממדי, שקואורדינטותיהם ניתנות על ידי אמפליטודות של האותות משני הגלאים. יוני "האשפה" הרבים תופסים ערכים משני הגלאים הממלאים אזורים במערך הנתונים אך בדרך כלל אינם חופפים את האזור המוגדר היטב שתופס היון הנושא. לכל סוג איזוטופ נדרשת מערכת גלאים מעוצבת במיוחד עם שדות ניתוח נוספים שונים, ובמקרים מסוימים אפילו שימוש בטכניקות זמן-טיסה. תרשים סכמטי של ספקטרומטר מסה מאיץ מוצג באיור 8.
