Ускорительная масс-спектрометрия (УМС) – сверхчувствительный метод изотопного анализа, при котором производится тщательная селекция атомов вещества с подсчётом интересующих нас изотопов. Метод позволяет с высокой точностью датировать археологические находки и геологические породы, изучать состав атмосферы и ткани живых организмов разных исторических периодов.
В новосибирском Академгородке действует ускорительный масс-спектрометр, разработанный и изготовленный специалистами Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН). На этой установке проводится широкий спектр междисциплинарных исследований. В этом году сотрудники ИЯФ СО РАН разработали новый детектор, который позволит существенно расширить круг задач для УМС - датировать объекты, возраст которых составляет несколько миллионов лет. Других установок, позволяющих проводить подобные исследования, в России пока нет.
В новосибирском Академгородке вокруг метода УМС сложилась кооперация нескольких организаций: Института археологии и этнографии СО РАН, Новосибирского государственного университета, Института катализа СО РАН, ИЯФ СО РАН и др. Метод ускорительной масс-спектрометрии заключается в прямом подсчёте количества атомов радиоуглерода в исследуемом образце, поэтому он чувствительнее любых других методов в тысячи раз. При первичной селекции выделяется пучок отрицательных ионов с близкими к радиоуглероду массами, после чего пучок ускоряется напряжением миллион вольт. Далее его пропускают через мишень, в которой ионы перезаряжаются в положительные и вовлекаются в следующий этап ускорения. При этом молекулы разбиваются на части, что позволяет избавиться от них на последующих этапах селекции. Выходящие из ускорителя ионы 14C подсчитываются поштучно.
«Наш УМС имеет широкие возможности, но, если использовать его для регистрации тяжёлых ионов, возникают проблемы, частицы становятся трудноразличимы по их ионизационной способности. Сейчас мы планируем установить новый детектор и перейти от работ с углеродом 14 к другим изотопам. Это позволит существенно расширить спектр возможностей нашей установки, – рассказывает главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, академик РАН Василий Пархомчук. – Если сейчас нам доступна датировка образцов возрастом до пятидесяти тысяч лет, то с новым детектором мы сможем заглядывать в прошлое на миллионы лет. Появится возможность привлечь исследователей из разных областей науки, особенно актуальной новая возможность будет для геологов».
Новый детектор находится на финальной стадии разработки и помимо геологии сможет использоваться для анализа образцов из области археологии, медицины и космологии.
«По своей сути детектор является камерой, заполненной газом. Она имеет форму цилиндра диаметром 15 см и длиной 25 см, – описывает детектор младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Тамара Шакирова, – на набор статистики для одного образца будет тратиться несколько десятков минут времени. В будущем планируется разработка системы сбора данных и написание специализированного ПО для оператора установки».
Возможными пользователями нового детектора могут стать специалисты Института земной коры СО РАН, Института археологии и этнографии СО РАН, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и пр.
«Разработка детектора ведётся с 2010 года, его особенностью будет возможность работы с изотопами бериллия, бора, алюминия, йода, кремния и так далее, – поясняет старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Андрей Соколов. – Мы ожидаем, что одними из первых пользователей нового детектора станут учёные из Института земной коры Иркутского научного центра СО РАН, поскольку изучение осадочных пород вокруг озера Байкал представляет большой интерес для понимая некоторых геологических процессов, характерных для этого места, а также эволюции формирования пород. Сейчас специалисты Института земной коры вынуждены исследовать свои образцы на зарубежных установках. Большим преимуществом нового детектора является датировка объектов по концентрации бериллия, так как его период полураспада составляет 1,09 миллиона лет».
Руководитель лаборатории изотопных исследований ИАЭТ СО РАН, кандидат химических наук Екатерина Пархомчук также отмечает ценность исследований с расширенным набором изотопов:
«Бериллий-10 и алюминий-26 интересные изотопы и, конечно, все развитые страны имеют ускорители, предназначенные для их регистрации, а в России пока нет ни одного. Между тем, ускоритель позволяет решать многие актуальные задачи. Но бериллий – чрезвычайно токсичное и канцерогенное вещество. Поэтому для работы с ним необходимо соблюсти все стандарты и создать особые условия, что скажется на стоимости работ. В Швейцарии, например, пробоподготовка для анализа бериллия-10 стоит около 1000 евро за один образец. Нужно понимать, в каком объёме пользователи смогут обеспечить задачами новые опции ускорителя. На мой взгляд, уважающая себя страна должна иметь набор ускорителей, который позволяет делать анализ всех возможных изотопов, поскольку среди исследователей всего мира это востребованный инструмент».
Например, как отметила Екатерина Пархомчук, швейцарская компания, специализирующаяся на производстве УМС, уже 10 лет поставляет свои установки во многие страны – в прошлом году было изготовлено четыре установки на радиоуглерод и две, позволяющие работать с бериллием и алюминием:
«Естественно, новосибирский ИЯФ способен делать так же и лучше».
Ещё один изотоп, на основе которого станет доступен анализ после ввода в эксплуатацию нового детектора, йод-131, можно использовать как индикатор аварий на атомных станциях или проведения ядерных испытаний, потому что других источников этого изотопа на земле нет. Таким образом, например, Китай контролируют ядерные испытания, а Япония проводит мониторинг работы атомных станций.
«Если на станции происходит утечка тяжелых радионуклидов, или запускается, например, неконтролируемая ядерная реакция, образующийся йод начнет поступать в окружающую среду. Он хорошо растворим в воде, и все живое начинает активно его поглощать. Поэтому его можно фиксировать по образцам воды, грунта, ракушек, моллюсков, кораллов. При этом важно вовремя собрать и проанализировать образцы, если процесс затянется на месяц, то проводить анализ будет уже бессмысленно», – добавила Екатерина Пархомчук.
Монтаж и запуск детектора планируется на начало 2021 года, на данный момент учёные занимаются имитацией реальных условий эксперимента при помощи альфа частиц. По словам разработчиков, эксперименты с альфа частицами дали положительный результат, и сейчас основные усилия направлены на подбор сверхтонких окон, для ввода ионов в детектор и разработку оборудования, позволяющего избежать потенциальных аварий с нарушением высокого вакуума, необходимого для работы ускорителя.