Российские ученые создали новый детектор для ускорительного масс-спектрометра

Ученые Института ядерной физики СО РАН изобретают машину времени для путешествий на миллионы лет в прошлое — ​новый детектор для ускорительного масс-спектрометра (УМС). С помощью этой установки определяют возраст археологических находок и геологических пород, изучают состав атмосферы и тканей живых организмов. Сейчас можно датировать образцы не старше 50 тыс. лет, но с новым детектором УМС сможет проникнуть в куда более далекое прошлое.

Изотопная селекция

В новосибирском Академгородке работают два ускорительных масс-спектрометра. Один купили в Швейцарии, другой специалисты ИЯФ СО РАН собрали сами. Ускорительная масс-спектрометрия — ​это сверхчувствительный метод изотопного анализа вещества. Он основан на извлечении из образца отдельных атомов. Ученые из Новосибирска умеют доставать атомы 14С, радиоуглерода, из различных органических материалов.

«Изотоп 14С — ​самый простой вариант для исследований, — ​рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ, кандидат физико-математических наук Андрей Соколов. — ​Небольшое его количество есть в любой живой ткани, люди и животные получают его из пищи, а растения — ​из атмосферы. После смерти потребление углерода‑14 извне автоматически прекращается. То есть, узнав процентное содержание 14С в образце, мы можем определить его точный возраст».

В живых тканях содержатся три вида углерода в разных концентрациях. Так, на долю углерода‑12 приходятся 99 %, оставшийся 1 % делят углерод‑13 и углерод‑14. Для чистоты эксперимента важно, чтобы остался только радиоуглерод. Селекцию проводят так. Сначала из образца — ​органического материала или окаменелости — ​химическим способом извлекают все три вида углерода. Для этого образец сжигают в среде кислорода при высокой температуре. Затем углерод превращают в графит и помещают в УМС. В установке его облучают отрицательными ионами цезия‑133. При этом выделяется пучок отрицательных ионов с близкими к радиоуглероду массами, затем пучок ускоряется напряжением 1 млн В. Далее его пропускают через газовую мишень, наполненную парами магния, в которой ионы перезаряжаются в положительные и вовлекаются в следующий этап ускорения. Такую длинную гонку легкие изотопы углерода не выдерживают: на крутых поворотах в магнитном поле они сходят с оси вакуумной камеры, теряют энергию и оседают на стенках. А ионы 14С невредимыми выходят из ускорителя. Их концентрацию ученые определяют, подсчитывая поштучно.

«Затем нам достаточно заглянуть в таблицу, где прописано, в какую эпоху какая была концентрация 14С, и мы узнаем точный возраст образца, — ​продолжает Андрей Соколов. — ​Достоверно охвачен период до 50 тыс. лет. Часть данных мы взяли у коллег со всего мира, ведь с радиоуглеродом работают УМС многих стран. Многое выяснили сами с помощью масс-спектрометров и косвенной хронологии. Например, если мы точно знаем, что вот это деревянное изделие было изготовлено 750 лет назад, определяем, сколько в нем радиоуглерода, и получаем сведения обо всей эпохе. И вносим их в таблицу».

Вместо тысяч — ​миллионы

Аппетиты новосибирских ученых и их коллег, проводящих исследования на УМС, выросли. 50 тыс. лет как максимальный срок датирования образцов они теперь считают очень маленьким.

«Если образец старше 50 тыс. лет, радиоуглерода в нем уже нет, нужны изотопы с куда большим периодом полураспада, — ​поясняет Андрей Соколов. — ​Вот и получается, что археологи и палеонтологи, которые с помощью наших УМС исследуют поселения древних людей, мамонтов и шерстистых носорогов, довольны. А ответить на запрос геологов из Института земной коры Иркутского научного центра СО РАН, изучающих состав осадочных пород вокруг Байкала, возраст которых около 6–7 млн лет, мы уже не можем. Они заказывают исследования во Франции, а мы хотим сами их проводить».

«Мы планируем перейти от работ с углеродом‑14 к изотопам бериллия, бора, алюминия, йода, кремния и другим, это существенно расширит спектр возможностей нашей установки, — ​рассказывает Василий Пархомчук, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, академик РАН. — ​Для этого и нужен новый детектор. С ним мы сможем заглядывать в прошлое на миллионы лет. Важно иметь перестраиваемую установку, чтобы она могла работать с разными изотопами и разными образцами».

Новый детектор предназначен для ускорительного масс-спектрометра, созданного в институте, потому что на собственную разработку его гораздо проще установить. Второй УМС продолжит работать только с радиоуглеродом.

Разрабатывали детектор с 2010 года, большой проект начался с дипломной работы одного из студентов. От первоисточника осталась только идея, основную часть научных поисков провела команда сотрудников института.

«Детектор — ​это камера, заполненная газом изобутаном, она имеет форму цилиндра диаметром 15 см и длиной 25 см, — ​описывает изобретение Тамара Шакирова, младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН. — ​В будущем планируется разработка системы сбора данных и написание специализированного программного обеспечения для оператора установки».

У творческой группы сейчас больше всего наработок по определению в веществе концентрации бериллия‑10, новый детектор начнет работу именно с этим изотопом. Его период полураспада составляет 1,39 млн лет — ​это дает ученым впечатляющие возможности.

Гонка изобаров

«Нам пришлось потрудиться, чтобы решить одну задачу, — ​говорит Андрей Соколов. — ​Проблема была в том, что в образцах пород и минералов большое содержание изотопа бор‑10, а он является изобаром (это атомы разных химических элементов с одинаковым массовым числом. — «Лаб. СР») бериллия‑10. Масса этих изотопов такая же, как и у бериллия‑10, в процессе ускорения они имеют одинаковый заряд, и наша установка не могла их различить, с ее точки зрения, они одинаковые. И тут мы придумали, что в детекторе должен быть газ, в этой среде изотопы обдираются до ядер, а у ядер заряд уже разный. Поэтому скорость и длина пробега будут разные. И по разности пробегов мы сможем отделять разные химические элементы».

Испытания разработки вышли на финальную стадию. Сейчас ученые подбирают окна для ввода ионов в детектор. Они должны быть, с одной стороны, сверхтонкими, чтобы ионы проходили беспрепятственно, а с другой — ​сверхпрочными, чтобы выдерживать перепад давления между камерой и вакуумной системой ускорителя. Еще одна задача — ​сделать крионасос для откачки газа из ускорительного тракта на тот случай, если мембрана случайно порвется. Одновременно в лаборатории, которая готовит образцы к анализам, отлаживают технологию подготовки проб к извлечению бериллия‑10. В перспективе ученые новосибирского Академгородка собираются расширить линейку изотопов для экспериментов.

«Наш детектор поможет измерять сверхмалые концентрации любых изотопов, радиоактивных и стабильных. Установить его на УМС планируем в нынешнем году», — ​подводит итог Андрей Соколов.