加速器質譜(AMS)是結合了加速器和質譜的分析技術，其基本原理是將待測樣品在加速器的離子源中電離，隨后將離子束引出并加速，再借助電荷態、荷質比、能量和原子序數的選擇，鑒別被加速的離子并加以記錄，從而實現同位素比值的測定，可檢測極低濃度(自然同位素豐度通常為10-12～10-16量級)的放射性及穩定核素，樣品用量少(ng～μg量級)，測量時間短，并有效克服了同量異位素和分子離子等干擾，成為核科學、地質、環境科學領域一種有效的分析技術。
隨著自動控制和電子技術等的不斷進步，AMS裝置正朝著小型化方向發展，由于小型AMS(加速器端電壓低于0.5MV)系統不僅具有和大型AMS系統(加速器端電壓高于3MV的AMS系統)相同的測量性能，還有著系統穩定、操控簡單、占地面積小、維護方便、保養成本低和價格便宜等優勢，得到國際上廣泛的認可，成為越來越多實驗室的常規測量設備。以下主要以MICADAS為例對小型加速器質譜工作原理和主要結構進行簡要介紹。
小型加速器質譜組成
AMS主要包括離子源、低能分析系統(注入系統)、加速與氣體剝離系統、高能分析系統和探測系統五部分(圖1)。AMS通過多技術聯用，排除了傳統MS存在的分子本底和同量異位素本底的干擾，實現了對自然豐度極低的放射性同位素高靈敏度分析。測量過程如下：首先利用銫濺射離子源將樣品電離并引出負離子，抑制同量異位素的產生(1.filter)，經由低能分析系統排除不同質量的負離子(2.filter)，并將目標質量的原子離子和分子離子混合物送入加速器，負離子經前半部分加速器加速后進入加速器中部的氣體剝離系統，利用剝離器中的剝離氣體將負離子剝離成多電荷態正離子，并瓦解分子離子(3.filter)后繼續加速，然后利用由分析磁鐵和靜電分析器組成的高能分析系統排除不同質量的同位素正離子及分子碎片等干擾本底(4.filter);最后利用氣體探測系統鑒別同量異位素(5.filter)，最終實現對目標長壽命放射性核素的高靈敏度分析。
圖1 AMS基本結構圖
AMS各部分功能分別介紹如下：
1、離子源
AMS一般采用銫濺射負離子源，流強高、發射度小、束流穩定性好、離子轉換效率高。被測樣品經化學提純制成單質或化合物靶材，靶材在銫正離子的轟擊下被濺射，形成負的原子或分子離子流，在電場的作用下負離子流從離子源被引出。對于處理過的石墨靶，典型的負離子電流為30-50微安(μA)。AMS離子源采用負離子引出可利用不同元素或分子的電子親和勢不同實現部分同量異位素本底的抑制或排除(正離子引出則無法實現此功能)。例如：在14C測量時，由于N的電子親和勢小于0而不能形成穩定負離子，因此在負離子引出階段就完全排除了同量異位素14N的干擾，為14C的高靈敏測量奠定了基礎。
2、低能分析系統(注入系統)
AMS低能分析系統一般采用磁體分析器(MICADAS使用彎曲半徑25cm的磁體)對從離子源引出的負離子進行質量分析(圖2)，根據不同質荷比的離子在相同磁場中的偏轉半徑不同，實現對不同離子的分離。為了有效抑制強峰拖尾，部分AMS還在注入系統中增加一個靜電分析器以進行能量選擇。MICADAS配備了快速光束脈沖系統，能夠以非常短的脈沖將離子束注入加速單元，使得12C、13C和14C離子束先后在不同時間段分別測量，如圖3(a)所示，該圖顯示了采用低能磁體掃描不同形態碳同位素的束流與磁體磁場的函數。為了減小分餾，AMS要盡力實現“平頂傳輸”，就MICADAS而言由于剝離器直徑較小，無法完全實現平頂情況。然而在相當寬的磁場強度范圍內，觀察到穩定的13C/12C和14C/12C同位素比率。由此實現了高質量同位素比測量。
圖2 離子源和低能分析系統
圖3 MICADAS使用采用低能磁體和高能磁體掃描離子束分別如圖(a)和(b)所示。
穩定同位素電流的測量采用位于高能磁體的焦平面的法拉第杯，放射性碳離子的測量是采用氣體電離檢測器。兩種情況下，13C/12C同位素比都觀察到良好的平頂情況。
3、加速與氣體剝離系統
由于離子源不僅引出原子負離子，同時也將分子負離子同步引出，如13CH和12CH2，質量數與14C相同(圖2)。為了排除分子離子的干擾，MICADAS在加速與氣體剝離系統的真空腔內采用200kV的端電壓對離子進行加速，提高被測核素離子的能量。當負離子在加速器前端初步加速后，高能的帶電粒子穿過加速器中端的氣體剝離器時，剝離氣體分子將與其發生碰撞，將負離子外層電子剝離變成正離子，在此過程中將分子離子瓦解成原子態正離子，僅剩下原子離子被繼續加速進入高能分析系統(該剝離過程與粒子的入射能量、介質的種類和氣體等效厚度有關)。
圖4 加速與氣體剝離系統
4、高能質量分析系統
經加速器加速與氣體剝離系統后的正離子仍非常復雜，除了被測核素外，還有高豐度同位素離子，以及剝離產生的分子碎片的離子，且所有離子又都具有不同的電荷態與不同的能量。為了鎖定特定電荷態的待測核素離子，須對這些高能離子再進行篩選，至少需要兩種不同類型分析器的組合。MICADAS高能分析系統包括磁體分析器(類似低能分析系統，為彎曲半徑為35cm的磁體)和球形靜電分析器(彎曲半徑為38厘米，間隙為3厘米)。利用磁場對帶電粒子偏轉作用實現對高能帶電粒子的動量進行分析(選定EM/q2值)，利用帶電粒子在靜電場中受力的原理，實現對離子的能量分析(選定E/q值)，兩者結合即可鎖定唯一選定離子質量M與電荷q的比值(M/q)。在磁體分析器的焦平面上裝有兩個法拉第杯，用于測量穩定碳同位素12C和13C的束流，束流具有平坦的頂部，可獲得穩定的13C/12C同位素比，結果如圖3(b)所示。
5、探測系統
高能(MeV)帶電粒子在氣體介質中穿行時，具有不同核電荷離子的能量損失速率不同，該能量損失過程會產生電子-離子對，這些電子和離子可以被探測系統的電極捕獲，從而產生電信號，由此實現對同量異位素鑒別。對于小型AMS系統，由于加速器端電壓低(≤0.3V)，且剝離后電荷態小(1+)，因此經過加速后離子能量基本在1.2MeV以下，需要采用薄窗型氣體電離室，確保離子在穿過薄窗時的能量損失小，從而使得更多能量沉積在探測器的靈敏工作區，有利于提高探測器的信噪比。MICADAS探測器入射窗厚度為50nm，采用5x5mm Si3N4膜，檢測器氣體為壓力約為20hPa的異丁烷。在該條件下，MICADAS對14C可實現7.7%的相對能量分辨率。
隨著科技的不斷進步，加速器質譜技術未來的發展方向主要包括：精度的提高、測量時間的縮短、測量目標的拓展、設備的小型化和智能化等。這些技術的進步將會推動加速器質譜技術在各個領域的應用和發展。
圖5 分析測試中心加速器質譜
(Ionplus-LEA，配置石墨靶和CO2氣體進樣接口)
加速器質譜石墨化制樣設備
AMS的核心技術是抑制本底和減小分餾效應，為了提高樣品的利用效率及得到可靠的測量結果，制樣技術十分重要，低本底的14C測定嚴重依賴于石墨樣品靶的性能。
(1) 固體樣品微量碳石墨化裝置
本實驗室自主研制固體樣品微量碳制備石墨的設備，可以把各種類型固體中碳元素高溫氧化成CO2，并富集、純化和分離后還原制備成石墨，在保證低分餾和低本底空白的情況下，最低石墨制樣量可以達到100μg。
圖6 分析測試中心-自主研制固體微量碳石墨化制備系統
(2) 氣體和液體樣品中微量碳石墨化裝置
本實驗室自主研制將氣體樣品中CO2和水樣中溶解無機碳(DIC)提取、富集和純化以后，還原制備成石墨樣品，在保證低分餾和低本底空白的情況下，最低石墨制樣量可以達到100μg。
圖7 分析測試中心-自主研制氣體和液體樣品碳石墨化制備系統
(3) 氣體樣品中低濃甲烷-CO2轉化系統
本實驗室自主研制將氣體樣品中低濃度甲烷純化、氧化成CO2，富集進一步純化，分離后進行石墨化制備。
圖8 分析測試中心-自主研制氣體樣品中低濃甲烷-CO2轉化系統
(4) 水樣中低濃度溶解有機碳(DOC)高溫氧化-CO2轉化系統
本實驗室自主研制將水樣中微量的DOC高溫氧化轉為CO2氣體，并同時進行富集，純化和分離后，用氣體樣品碳石墨化系統制備轉化為石墨樣品，進行溶解有機碳14C的測試。
圖9 分析測試中心-自主研制水樣中DOC高溫氧化-CO2系統
(5) 單體化合物分離純化制備系統(氣相色譜-餾分收集和液相色譜-餾分收集)
可以開展環境、生態、地質和生命科學等領域中小分子到大分子化合物的提取，分離、富集和純化以及石墨化，并進行14C分析測試。
圖10 分析測試中心制備型氣相色譜系統
(Agilent，6890N，含PTV進樣口+餾分收集裝置(Gerstel，PFC)
圖11 分析測試中心Prep 150制備液相色譜系統
(2545二元梯度管理器+2998 PDA檢測器+Prep進樣器模塊+WFC III餾份收集系統)
圖12 分析測試中心Age3石墨化制備裝置
(配置元素分析儀+氣體制備和液體制備裝置)
加速器質譜技術的應用領域
AMS主要用于測量樣品中微量的長壽命放射性核素，是目前放射性核素測量靈敏度最高的分析技術，在多個領域有著廣泛的應用，包括地質年代學、考古學、醫學、材料學、地學、水文學、宇宙學、原子核物理學等。小型加速器質譜法應用最多的是測定14C確定年代和同位素示蹤，通過測量樣品中的碳同位素，可以確定樣品中的年齡以及歷史氣候變化情況;例如用于極地冰14C年齡測定，直接測定冰氣泡中的14C，可以建立長時期冰的時標;用于植物微化石測年，湖積物中植物微化石是研究更新世古氣候的重要途徑;用于測定海洋底柄有孔蟲和浮游有孔蟲化石14C的濃度差，可探討古海洋14C濃度變化及深海水循環速度。加速器質譜技術在醫學和生物學領域中也有著廣泛的應用。例如，通過測量同位素含量，可以了解藥物在體內的代謝情況;通過測量DNA中同位素的含量，可以研究基因組學和人類進化。加速器質譜技術在多個科學領域中發揮著重要作用，其高靈敏度和低樣品用量的特點使其成為研究稀有同位素和微量核素的首選方法，為跨學科研究提供了強大的工具，為人類探索科學領域提供更多的可能性。
