가속기 질량 분석법을 이용한 방사성 탄소 연대 측정

  • 가속기 질량 분석법으로 샘플의 탄소 14을 탐지합니다.
  • AMS 연대 측정 방식은 질량 분석 후 엄청나게 높은 운동 에너지로 이온들을 가속합니다.
  • 탄소 연대 측정에 앞서 샘플을 흑연으로 바꿉니다.
  • 방사 측정에 의한 연대 측정보다 가격은 비싸지만, 훨씬 정밀하며, 소량의 샘플만 있어도 측정 가능합니다.
  • 고고학과 지질학 이외, 생의학 연구나 해양 과학 연구 같은 다른 분야에서도 사용 가능합니다.

방사성 탄소를 측정하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 방사 측정과 가속기 질량 분석(AMS)

고고학 유물과 지질학 샘플의 탄소 14 함유량을 측정하는데 처음에는 이 두 방법이 같이 사용되었는데, 이 두 방법은 옥살 산과 참고 물질과 같은 최근 표준 물질을 사용합니다. 이 두 방법은 모두 좋은 방사성 탄소 연대 측정 결과를 알려주지만 배경 이론은 완전히 다릅니다.

방사 측정에 의한 연대 측정 방법은 탄소 14 원자가 소멸하면서 내는 베타 입자를 측정하지만, 가속기 질량 분석은 샘플에 있는 탄소 14 원자의 수를 셉니다. 서로 장단점이 있습니다.

가속기 질량분석법

가속기 질량 분석법은 각각의 원자 무게에 따라 각각의 원자들을 감지하지만 원자들의 등압선을 구별할 만큼 예민하지 못합니다. (질소의 가장 대표적인 동위 원소인 질소 14와 탄소 14의 경우처럼, 서로 다른 원자들이지만 서로 같은 무게를 가진 원자들)

핵물리학 덕분에, 풍부하게 있는 주변 물질에서 희귀한 동위 원소를 분리해주는 질량 분석기가 발전해 왔으며, 이런 가속기 질량 분석법이 탄생했습니다. 샘플에 있는 탄소 14을 탐지하고, 탄소 14가 있다는 신호를 헷갈리게 하는 다양한 다른 동위 원소들을 분리하도록 가속기 질량 분석법은 발전해 왔습니다.

작동 방법

radiocarbon AMS lab

가속기 질량 분석법을 이용한 탄소 연대 측정 작업에는 꼭 필요한 두 작업이 있는데 첫째는 매우 높은 운동 에너지로 이온을 가속하는 작업이며, 두 번째는 질량 분석을 하는 것입니다.

두 개의 가속 시스템이 있는데, 하나는 사이클로트론 (cyclotron)이고 다른 하나는 동시 정전기 가속 장치 (tandem electrostatic accelerator)입니다.

동시 가속 장치 (Tandem Accelerator)를 이용한 가속기 질량 분석법

가속기 질량 분석을 위해 우선 사전 처리 후 샘플을 고체 형태의 흑연으로 바꿔 준비합니다. 금속 촉매를 이용하여 흑연화 과정을 통해 이산화탄소로 전환함으로써 이루어진다. 하지만 샘플을 태워 흑연으로 만들면, 질소 14와 같은 다른 성분들이 발생합니다.

마침내 샘플들이 아주 작은 몇 밀리 그램 정도의 흑연으로 바뀌게 되었을 때, 금속 원형 판으로 눌러 둡니다. 참고 물질 또한 금속 원형 판으로 눌러 둡니다. 이 금속 원형 판들을 정해진 원형 바퀴에 올려 놓아 차례대로 분석합니다.

정해진 바퀴에서 세슘 총으로 이온을 쏘면, 음이온화된 탄소 원자들이 만들어 지며 이 음이온화된 탄소 원자는 동시 가속 장치에 도달하기 전에 집중 장치와 주입 마그네트 (focusing devices and an injection magnet)을 통과하며, 이 동시 가속 장치에 있는 양극 단자에서 200만 볼트 전압 차로 음이온화된 탄소 원소들을 가속합니다.

이 단계에서 다른 음전기를 띈 원자들은 불안정하여 감지기에 도달하지 못하지만 음전기를 띈 탄소 원자들은 스트립퍼 (가스나 금속 포일)로 이동합니다. 그리고 이 스트립퍼에서 전자를 잃게 되고, 3중 양전기를 띈 탄소 원자가 되며, 이 단계에서 기존에 있던 분자들은 3중 전기를 띈 상태로는 존재할 수 없어서 모두 없어집니다.

3중 양전기를 띈 탄소 원자들은 양극 단자에서 멀리 떨어지게 더 가속화하며, 질량 분석하는 또 다른 여러 개의 집중 장치를 통과합니다.

질량 분석에서 이렇게 움직이는 전하 입자들에 자기장을 이용하며 움직이는 길을 바꾸게 합니다. 탄소의 동위 원소처럼 만약 같은 속도의 전하 입자지만 질량이 서로 다르다면 무거운 입자들은 작은 쪽으로 방향을 틉니다. 방향 바꾸는 여러 각도에서 탐지기는 입자들을 셉니다.

AMS 작동 후의 데이터는 샘플의 탄소 14 원자 수 일뿐 아니라 탄소 12와 탄소 13의 수입니다. 이 데이터로 동위 원소의 농도 비율을 알 수 있어 분류 정도를 평가할 수 있습니다.

장점.

AMS 방사성 탄소 연대 측정법이 방사 측정 방법보다 더 좋은 장점은 샘플이 소량 필요하다는 것입니다. AMS 방사성 탄소 연대 측정하기 위한 샘플은 20 밀리그램에서 최대 500 밀리그램이 필요한 반면, 방사 측정 방법을 위해 나무와 석탄 같은 샘플은 10그램, 뼈와 퇴적물 같은 샘플은 100그램 정도가 필요합니다. 가속기 질량분석법은 일반적으로 기존의 방식보다 1,000배나 적은 샘플을 필요로 합니다.

방사성 탄소 연대 측정은 자꾸 작게 분석해 가는 과정입니다. 따라서 아주 미세한 샘플도 분석할 수 있기 때문에 고고학자들이 아주 작은 유물들이나 너무 귀중하고 귀한 물질들이 망가지게 하면 안되기 때문에 선택하는 방법입니다.

가속기 질량 분석 법은 상당히 예민하여 혈흔, 곡물 알, 씨앗 같이 작은 샘플들도 연대 측정할 수 있습니다.

가속기 질량 분석 법은 또한 샘플 분석 시간이 적게 걸립니다. 반면에 방사 측정 방법은 1-2일 정도 소요됩니다. 가속기 질량 분석 법은 단 몇 시간이면 됩니다.

마지막으로, AMS 측정은 방사 측정법 보다 훨씬 정밀하며, 기초 자료가 적게 필요합니다.

단점

가속기 질량 분석 기기는 좋은 기계이긴 하지만 상당히 비싸며, 설치하거나, 유지하는데 상당히 많은 돈이 듭니다.

작은 샘플로도 작업이 가능하기 때문에 오염 물질을 통제하기 어렵습니다. 오염 물질을 확실히 제거하기 위해 사전 처리를 철저하게 하면 연대 측정 과정 중에 심각한 오류가 발생하지는 않습니다.

이외의 응용 분야

AMS는 고고학, 지질학, 해양학 이외에도, 의약품 개발 연구에 있어서 방사성탄소가 들어있는 샘플을 사용하는 바이오의학 실험실에서도 사용됩니다.

또한 약물 동력 학, 대사 산물 프로파일링, 독성 학, 극 미세 투여 (microdosing) 분야 등에서도 사용합니다.

퇴적 광상 연대 측정, 해양 내 탄소 14의 자연 존재 비율을 알기 위해 연대 측정을 사용하며, 또한 용존 무기 탄소 내 탄소 14의 3차원 지도를 만들어 탄소 14가 어떻게 퍼져 있는지 보여주는데 AMS 연대 측정을 사용하고 있습니다.