Журнал "Наука и жизнь" сообщает о создании первой в России специализированной камеры для ускорительного масс-спектрометра, разработанной сотрудниками Новосибирского государственного университета (НГУ). Это новшество предназначено для углубленного изучения геологии и истории Земли, позволяя исследовать материалы, возраст которых достигает 10 миллионов лет.
С помощью нового оборудования ученые смогут точно идентифицировать и измерять редкие атомы в различных образцах, что существенно расширяет возможности научных исследований в этой области.
В настоящее время известно 114 химических элементов, каждый из которых представлен различными атомами, отличающимися по массе. Эта масса зависит от количества протонов и нейтронов в ядре атома. Атомы одного элемента, но с разным количеством нейтронов, называются изотопами. Эти изотопы могут значительно различаться по физическим свойствам.
Например, углерод имеет 15 изотопов с массами от 8 до 22 атомных единиц массы, из которых 11 обладают крайне коротким временем жизни. Два изотопа углерода — 12С и 13С — стабильны, причем первый составляет около 98,8% всех атомов углерода, а второй — около 0,96%. Однако для датировки возрастов природных объектов наиболее важен изотоп 14С. Он образуется в атмосфере под воздействием космических лучей из атмосферного азота и имеет период полураспада примерно 5,5 тысяч лет. Живые организмы накапливают этот изотоп через дыхание и питание, и после их смерти обмен с окружающей средой прекращается, а 14С начинает распадаться. Изменение соотношения стабильного и радиоактивного углерода позволяет определить возраст археологических находок или датировать захоронения с помощью радиоуглеродного анализа.
В мире существует более 150 лабораторий, которые проводят подобные тонкие измерения с использованием высокоточных ускорительных масс-спектрометров. Однако только несколько из них способны определять содержание таких редких изотопов, как бериллий-10. Это связано с высокой сложностью обслуживания оборудования и трудоемкостью подготовки образцов. Один анализ может стоить от тысячи долларов и выше.
Разработанный НГУ элемент ускорительного масс-спектрометра способен выделять изотопы с очень маленькими различиями в массе и точно измерять их количество. Как объяснил Андрей Соколов, старший научный сотрудник лаборатории космологии и физики элементарных частиц НГУ, метод ускорительной масс-спектрометрии особенно эффективен в радиоуглеродном датировании археологических объектов, позволяя исследовать их возраст до 75 тысяч лет. Но определение концентраций изотопа 10Be расширяет временные рамки датирования до 10 миллионов лет. Для разделения изотопов используется разница их импульсов, что достигается с помощью время-проекционной камеры. Эта камера позволяет кластеризованным ионизированным частицам отклоняться под воздействием магнитного и электрического полей, что помогает точно определить их количество.
Существует проблема изобарного наложения, когда изотопы с почти одинаковыми массами имеют схожие спектры. Специалисты НГУ нашли решение для этого, что позволяет эффективно разделять изобарные ионы бора и бериллия, обеспечивая точное датирование до 10 миллионов лет. В 2023 году такая камера была впервые установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который в данный момент проходит модернизацию и тестирование с образцами, содержащими 14C. В настоящее время НГУ работает над созданием полностью отечественного ускорительного масс-спектрометра, способного проводить комплексный анализ не только радиоуглерода.
