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探究地球历史 用于地球科学的惰性气体质谱仪 几个世纪以来，了解地球历史及各类种群一直是人类追求的知识中 期是指同位素中原子总数的一半衰变所花费的时间。如果同位素的 最重要的部分。各学科的科学家们一直致力于探索新发现，从而阐 半衰期是已知的，包含该元素的矿物年龄则可从该元素的稳定和放 明我们的星球是如何进化的。同位素地质年代学已成为研究这些课 射性同位素之间的关系推断得出。 题的地球科学家的重要工具。 地质年代学就是利用了同位素测量法。凭借这一研究方法，从具有 同位素是同一元素的不同形式。它们仅在原子核的组成上有所不 已知半衰期同位素的放射性衰变中，可以得到的衰变产物的百分 同。元素同位素在原子核中始终具有相同数量的带正电荷粒子（质 比。借助于该数据，可以探测到地质材料的绝对年龄。 子），但具有不同数量的中性粒子（中子）。有些同位素不稳定， 并且会趋向于向更稳定的状态变化（衰变）。这些同位素被称为放 射性同位素。放射性同位素一步步衰变，甚至转变成其他元素。通 加利福尼亚州的伯克利地质年代学中心 (BGC) 已经专注于地质年 过测量同位素的半衰期，可以确定这种转变进行了多少时间。半衰 代学研究三十多年。实验室中使用了目前最先进的技术。 图 1：使用普发真空 HiCube 泵系统的惰性气体质谱仪与连接的超高真 空样品制备系统 理，以便剩余物中存在大量惰性气体。样品制备作业线在超高真空 真空、激光和计算机技术的进步使得实验数据更精确，精度更高。 下操作。只有通过最高效、最可靠的泵，才能达到这种真空水平。 通过应用这些实验的结果，得到有关大陆漂移、火山活动、造山运 挑战 动、大规模灭绝、气候变化以及人类自身进化等诸多过程的重要见 解。地质年代学不仅对建立这些现象发生的时间轴至关重要，对确 由于高质量要求，BGC 选择普发真空作为其惰性气体质谱仪生产 定它们之间的时间关系也起着决定性作用。 线真空设备的合作伙伴。这些系统对所需的真空解决方案寄予很高 的要求，因为它们在技术上很成熟，具有体积小、便于携带的特 研究所使用的诸多科学仪器之一就是惰性气体质谱仪系统。该系统 点。最重要的是要完成所需的 UHV，其极限底压要求为较低的 包括质谱仪、加热装置（通常为激光装置）以及样品制备系统。 -9 至中等 1·10-10 hPa 范围。间或，抽吸系统也必须能够处理 1·10 样品装载过程中遇到的更大气体负荷。由于 BGC 和普发真空曾经 惰性气体质谱仪是为分析惰性气体（如氦和氩）而设计的高灵敏度 长期密切合作过，普发真空非常了解 BGC 研究的要求和领域。得 仪器。惰性气体质谱法的理想用途就是 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 地质年代学。该方 益于这一条件，再加上与研究所的密切合作，从而可以开发出定 法通过对氩同位素的高精度测量，以确定 40 K（母体）自然放射性 制、独特的真空解决方案。 衰变的产物（或“子体”）。根据该比率值，如果半衰期也已知，则 可得出矿物和岩石样品的年龄。对样品进行中子轰击可以促使 39K 普发真空的解决方案 向 39Ar 转变。在惰性气体质谱仪中同时分析母体元素（K 作为 39Ar）和子体元素 (40Ar) 大大提高了测量精度和准确性。 对于这种应用，稀有气体样品制备作业线和惰性气体质谱