曾几何时，一套写在袈裟上的武功，引得武林各派相互残杀；一首刻在石壁上的“侠客行”，又让多少英雄豪杰流连忘返；随着隐藏着无数秘密的元素周期表诞生以来，“武林”中又有多少英雄豪杰沉迷其中······
图1元素周期表（出处）
为了解密该表，各门各派都勤学苦练，打磨兵器，想要凭借手中的利器称霸武林。我们根据各门各派使用的武器，大致可以将他们分为光谱派、衰变计数派（能谱派）和质谱派。光谱派是利用每个原子的特征光谱，对物质的组份进行分析。但此方法主要是针对原子和分子，在分析元素的同位素方面能力欠缺。衰变计数派，是核物理领域分析物质组成和研究同位素常用的手段，常用的有中子活化法和质子X荧光法，该方法用中子或质子照射原本稳定的样品，使之变成含有放射性核素的样品，然后根据每个放射性核素衰变时放出的α、β、X、γ射线的能量来对元素进行分析。质谱派是目前分析领域最活跃的门派，其下分枝众多，即可测定原子分子质量，又可以测量同位素的丰度比。
图2光谱分析示意图（图片来自百度百科）
图3衰变计数法示意图（来自网络）
今天我们为大家讲述的是质谱派中的一个小小分枝---加速器质谱。何为加速器质谱？顾名思义，是加速器和质谱两大技术的结合，英文名称：Acceleratormassspectrometry(AMS)。传统质谱仪器是将样品电离之后，通过电磁场选出特定荷质比，从而分析原子或分子质量的技术，但在分析想要的核素时（以14C为例），会有质量数相同的分子本底（12CH2、13CH）和同量异位素（14N）的干扰（图4），加速器质谱技术可以在离子源处引出负离子（抑制部分核素的同量异位素的产生），在串列加速器中间部分利用剥离膜将负离子剥离成正离子（瓦解分子离子），并利用核探测器鉴别同量异位素（图5）。这使得AMS在测量长寿命放射性核素时十分有效。
图4普通质谱示意图
图5加速器质谱示意图
俗话说一招鲜吃遍天。在AMS诞生之初，虽然在测量上有很大优势，但因为种种限制（下边有介绍），发展缓慢。可是随着时间推移，它在当今武林已渐有壮大之势。这要归功于它在测量长寿命放射性核素时的“三板斧”——快、准、痕[1]。针对这三样看家本领，我们逐一进行揭秘。
一快，何谓快？同样是测量14C，液闪β谱仪的原理有点像守株待兔的农民，等着兔子（14C衰变产生的电子）来撞，要想达到想要的结果就需要十几个小时的时间，而AMS就像那个数星星的孩子，直接数14C的数目，这样达到液闪测量时同样的效果30分钟就足够了，此谓之快；
图6
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二准，何谓准？这就像掷飞镖，不但要求正中靶心，而且要求百发百中，这样才是一个高手。这对于一个测量仪器想要称霸江湖异常重要，特别是在“年代学”上的测量，精确度不够，可能一个朝代就过去了。现在对于14C的测量精度追求都在3‰以内，这使得测年误差在几十年，好的甚至在十几年，试想在几万年里边误差仅为几十年，不可谓不准；
图8精确度示意图
三谓痕，见字识意，“痕”指的是用量少。这对于考古的珍贵样品是十分重要的一件看家本领。试想一下，一副名贵的字画，要想测定年龄，当然是样品用量越少越好。AMS在测量样品时只需几毫克甚至几十微克的石墨碳即可。
图9
有了这些法门，追随者自然越来越多。但AMS的发展历程却经历了一波三折。关于AMS，最早的历史可以追溯到1939年，那时Alvarez和Cornog利用一台回旋加速器进行3He的测量，随后没有了任何消息[2]。直到1977年，Muller提出用串列粒子加速器可以对14C和10Be进行简单高效地测量。此言一出，在江湖上立马引起了骚动，因为虽然Libby提出的利用14C定年原理已获诺奖，但当时使用的测量方法却非常繁琐。麦克马斯特大学和罗契斯特大学立刻开始行动，各自利用加速器对自然界的样品进行14C的测量。
在1978年召开的第一次AMS武林大会上，KennethPurser提出要建立专门的AMS实验室。由通用离子公司生产两台的专用AMS最早的被安装在了亚历桑那大学和多伦多大学，随后牛津大学，古名屋大学等也购置了该仪器。各门派拥有大型加速器的核物理实验室也都给自己的仪器装上了AMS管道，测量的核素也从14C扩展到10Be，26Al，32Si，36Cl，39Ar，41Ca，59Ni，81Kr，129I，236U和239U等。虽然此时的加速器虽然能量高、测量范围广，但因为个头大，传输效率低所以在测量过程中精确度和稳定性难免就差一些。而且各仪器的主要用途也不在于此，能用于AMS研究的时间也不多。为此，各门派都想购置专门的仪器。
图11CIAE的大型HI-13AMS装置（加速器28米，AMS束线长度约90米）
到了90年代，随着世界海洋洋流循环实验的开展，对1414C时有个黄金法则：+3价及以上的分子本底没有稳定态的电子结构。而3MV满足了测量14C这一要求的同时，又能对10Be，26Al，129I等核素进行测量。
图12黄金法则
图13西安加速器质谱中心3MV串列AMS
时间很快到了20世纪末，ETH利用端电压为1MV和0.5MV的加速器进行实验时发现，通过改进剥离膜，利用小仪器测量14C时对分子本底的抑制达到1011个量级。所以AMS端电压不能低于3MV、电荷态的选择不能低于+3价的魔咒也随之打破了。1998年，第一台利用+1件测量14C的仪器诞生，研究者发现它的性能不比大仪器选择+3或+4价时的测量效果差，这也正式拉开了AMS小型化的序幕。ETH大学联合美国NEC公司开发的紧凑型AMS又掀起一股浪潮。乔治亚州大学、雅典大学、波兰大学等纷纷引进。
图14
图15北京大学0.5MVAMS装置
在过去数十年的时间里，ETH大学AMS小组一直探索仪器的极限。皇天不负有心人，经过数十年的苦心钻研，MICADAS、μCADAS、myCADAS等一系列专门用于测量14C的小型化AMS装置应运而生。第三家专门生产AMS的公司ionplus也随之诞生。最初需要用十几兆伏端电压的加速器才能干的事（像测量129I、236U等）现在用0.35MV的AMS就能解决。杀鸡不需要用牛刀了，这就给测量带来了很大的灵活性，也使得仪器更容易推广。那么测14C的仪器的极限在哪？0.5MV？0.2MV？还是50KeV？物理学家探索的脚步一直在路上。未来的江湖又属于谁呢？让我们拭目以待。
图16AMS测量14C所需能量随之间变化趋势图[3]
经过40多年的发展，AMS从一个蹒跚学步的婴儿，逐渐成长为独当一面的侠客，在探索未知领域的道路上已经能独当一面。特别值得一提的是，中国的AMS仪器数量由原来的4台，在近两年一下增订十多台，同时中国第一家生产AMS的公司也已起步，尽管国内AMS发展速度慢了些，但未来可期。
图17AMS世界分布图（2013）[4]
[1]RagnarHellborg,,27(2008)398–427.
[2]Hans-ArnoSynal,(2010)701–707.
[3]–350(2013)192–202.
[4]–350(2013)203–218.
