科研進(jìn)展
近代物理研究所與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作實(shí)現(xiàn)大氣中極稀有同位素氬-42的直接探測(cè)
近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、重離子科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫良亭團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天、蔣蔚研究團(tuán)隊(duì)合作，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣樣品中極稀有放射性同位素氬-42（?2Ar）的直接探測(cè)。氬-42在大氣中的同位素豐度極低，僅約為十萬(wàn)億億分之一（10?21）量級(jí)。此次突破將現(xiàn)有方法的探測(cè)靈敏度提升了約4–5個(gè)數(shù)量級(jí)，為超低豐度同位素的精密測(cè)量開(kāi)辟了新路徑，標(biāo)志著單原子靈敏探測(cè)技術(shù)邁上新臺(tái)階。相關(guān)成果以“Detection of Atmospheric 42Ar at the 10?21 Level by Atom Counting”為題，于4月14日發(fā)表在《自然-物理》（Nature Physics）上。
氬-42是一種由宇宙射線與大氣相互作用產(chǎn)生的放射性同位素，半衰期為33年。盡管含量極低，其衰變產(chǎn)物會(huì)在液氬探測(cè)器中產(chǎn)生本底信號(hào)，影響暗物質(zhì)和雙β衰變實(shí)驗(yàn)的探測(cè)靈敏度。長(zhǎng)期以來(lái)，氬-42的測(cè)量主要依賴大型液氬探測(cè)器中的衰變計(jì)數(shù)方法，但不同實(shí)驗(yàn)之間結(jié)果存在較大差異。另一方面，加速器質(zhì)譜技術(shù)受限于質(zhì)量相近原子及分子的干擾，其探測(cè)極限約為10?1?量級(jí)，仍無(wú)法滿足對(duì)大氣中氬-42的直接測(cè)量需求。
圖1 ：大氣42Ar的測(cè)量。來(lái)自大氣的氬氣樣品先經(jīng)過(guò)預(yù)富集處理，除去大部分40Ar。富集后的氬樣品被送入原子阱系統(tǒng)，進(jìn)行42Ar同位素的單原子探測(cè)
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)盧征天團(tuán)隊(duì)采用自主發(fā)展的“原子阱痕量分析”（Atom Trap Trace Analysis, ATTA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氬-42的單原子探測(cè)。該方法利用共振激光將目標(biāo)原子減速、冷卻并俘獲在磁光阱中，通過(guò)熒光探測(cè)實(shí)現(xiàn)單原子的成像與計(jì)數(shù)。由于只有目標(biāo)同位素能夠滿足共振條件，該技術(shù)從原理上消除了不同元素及分子的干擾，具有極高的選擇性和靈敏度。
但氬-42在自然界中極低豐度極低，直接探測(cè)速率過(guò)低，預(yù)計(jì)每月僅能捕獲約一個(gè)原子。為提高測(cè)量效率，由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所自主研制的強(qiáng)流電磁質(zhì)譜裝置——即氬富集裝置，發(fā)揮了核心作用。 該裝置通過(guò)選擇性收集，高效去除占絕大多數(shù)的氬-40同位素，同時(shí)將極稀有的氬-42及作為參考的穩(wěn)定同位素氬-38收集。經(jīng)過(guò)預(yù)富集處理，氬-42和氬-38的豐度提升700倍以上。富集后的樣品再進(jìn)入原子阱系統(tǒng)進(jìn)行單原子探測(cè)，大幅提升了有效計(jì)數(shù)率。依托這一強(qiáng)流電磁質(zhì)譜裝置的出色富集能力和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行能力，研究團(tuán)隊(duì)在43天內(nèi)累計(jì)觀測(cè)到204個(gè)氬-42原子，最終測(cè)得大氣中氬-42的同位素豐度為（6.1 ± 0.5）× 10?21。
圖2 ：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所氬預(yù)富集裝置
原子阱痕量分析技術(shù)近年來(lái)已成功應(yīng)用于極地冰芯與青藏高原冰川定年，以及全球范圍地下水年齡示蹤等研究。近代物理所發(fā)展的基于強(qiáng)流離子源的高精度電磁分離技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高純度穩(wěn)定同位素分離與富集，在穩(wěn)定同位素提取及應(yīng)用研究方面有著重要的前景。此次雙方合作將原子阱痕量分析的探測(cè)能力成功拓展至更低的同位素豐度范圍。未來(lái)，該方法有望應(yīng)用于更多極稀有同位素的測(cè)量，為基礎(chǔ)物理、地球與環(huán)境科學(xué)研究提供新的精密工具。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院的萬(wàn)兆豐博士和博士研究生梁佳煒為論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所低能粒子束技術(shù)中心賈澤華工程師為第三作者。該研究工作得到了國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省及合肥市的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03257-9。
（低能粒子束技術(shù)中心 ???供稿）
