加速器质谱放射性碳测年

  • 加速器质谱仪检测样品中的碳14。
  • AMS测年包括加速离子到高动能的能量,随后是质谱分析。
  • 样品在进行AMS测年之前会被转化成石墨。
  • 尽管这比辐射测试法定年更昂贵,但是AMS测年方法的精度更高,而且需要的样品量很小。
  • 除了考古学和地质学,AMS测年还被应用于其他领域,例如生物医学研究和海洋科学研究。

测量样品中的放射性碳有两种技术—通过辐射测试法定年和通过加速器质谱(AMS)的方法。

这两种方法被主要应用于决定考古文物和地质样品的碳14含量。 这两种放射性碳测年采用现代标准,例如草酸和其他参考材料。尽管两种放射性碳测年方法都能得出高质量的结果,但是它们在原理上基本是不相同的。

辐射测试法定年检测的是碳14原子衰变而产生的β粒子,然而加速器质谱计算的是样品目前的碳14原子数量。两种碳测年方法都存在着优点和缺点。

加速器质谱仪

质谱仪根据它们的原子量检测特定元素的原子。然而,它们却没有敏感度区别同量异序(位)素(不同元素的原子拥有不同的原子量,比如对于碳14和氮14 —最常见的氮同位素 )

由于原子核物理学, 质谱仪已经被调整为从较多的质量邻近的同位素中分选出一个单独的稀有同位素,从而产生了加速器质谱仪。最终发展成为一种检测给定样品中碳14的方法,同时忽略了那些影响碳14信号的更多丰富的同位素。

加速器质谱仪是如何进行的?

radiocarbon AMS lab

加速器质谱仪的放射性碳测年过程本质上有两部分。第一部分是包括加速离子到非常高的动能能量,随后的步骤包括质谱分析。

有两种加速系统通常被用于通过加速器质谱仪进行的放射性碳测年。一种是粒子回旋加速器,另一种是串列静电加速器。

通过串列加速器的AMS分析

预处理完之后,将放射性碳测年的样品准备好,在一个加速器质谱仪通过把它们转换成固体石墨形式。这将在完成转换二氧化碳之后,随之在金属催化剂的作用下进行石墨化。燃烧样品转化成石墨,然而,同样也会产品其他元素进入样品,比如氮14。

当样品最终被转化成几毫克的石墨,它们被压在一个金属盘上。参照材料同样被压在金属盘子上。这些金属盘之后被安装于一个目标轮上以便可以进行依次分析。

之后将来自铯枪的离子射向目标轮,产生负离子化碳原子。这些负离子化碳原子通过一个两百万伏特的电压差被加速到正极端子到达串列加速器之前,将穿过聚焦装置和注射磁体。

在这个阶段,其他带负电荷的原子因为其不稳定而无法到达探测器。然而这些带负电荷的碳原子,转移到(一个气体或金属箔)剥离器,在那里它们失去电子,成为正三价的碳原子。在这个阶段,出现的分子可能被消除掉,因为它们无法停留于这种正三价的带电状态。

正三价的碳原子进一步加速远离正极端子,穿过另一套发生质谱分析的聚焦装置。

在质谱分析中,一个磁场应用于这些移动的带电粒子,这使得粒子偏离了它们的移动路径。如果带电离子有相同的速度但是不同的质量,就像对于碳的同位素,较重的粒子偏离得最小。探测器不同程度的偏转随后就能计算粒子。

在进行AMS的最后阶段,收集到的数据不仅是样品中碳14原子的数量,而且是碳12和碳13的数量。从这些数据中,同位素的浓度比可以被用于评估分馏的等级。

AMS放射性碳测年的优点

AMS放射性碳测年对比辐射测试方法定年方法最大的优点就是样品量小。加速器质谱仪对于某些样品仅需少至20毫克多至500毫克,然而常规的方法需要至少10克木头和木炭样品,多达100克的骨头和沉积物样品。加速器质谱仪通常需要的样品量少于常规方法的1000倍。

放射性碳测年是一个破坏性的过程。因此,由于其在分析样品甚至是微量样品时的能力,对于那些仅拥有少量文物和那些不能破坏且非常昂贵或者稀有材料的考古学家,加速器质谱仪是他们选择的方法。

由于加速器质谱仪的敏感性,小粒子的碳测年,比如血液粒子,谷粒,种子都变成可能。

对比于辐射测试方法定年方法,加速器质谱仪在分析样品中碳14含量速度更快,可能只需要1-2天的时间。加速器质谱仪一个样品只需几小时的运行时间。

最后,必须注意到AMS测量相比于辐射测试法定年通常能够获得更高的精度和更低的背景。

AMS放射性碳测年的缺点

一台加速器质谱仪,尽管是一种强大的工具,也是昂贵的一种工具。建立和维护一台加速器质谱仪需要花费数百万美元。

由于样品量太小的关系,污染物的控制也是比较困难。严格的预处理需要确保污染物已经被清除并且不会导致碳测年过程中出现重大误差。

AMS的其他应用

除了考古学, 地质学和海洋科学研究,AMS同样被生物医学实验室的药物发现使用“热”样品贴上碳14标签使用。

加速器质谱仪同样被应用于药物动力学,代谢物分析,毒理学和微剂量给药研究。

AMS被应用于确定海洋里碳14的天然丰度水平,同样用于沉积层的碳测年。加速器质谱仪被应用于建立一个分布在溶解无机碳的碳14三维地图。