Hızlandırılmış Kütle Spektroskopisiyle Radyokarbon Yaş Tayini

  • Hızlandırılmış Kütle Spektroskopisi (AMS- Accelerator Mass Spectrometry ) numunelerdeki karbon-14’ü tespit eder.
  • AMS işleminde, iyonların çok yüksek kinetik enerjilerde hızlandırılmalarının ardından kütle analizi başlar.
  • Yaş tayininden önce numune, grafite dönüştürülür.
  • AMS, radyometrik analizden daha yüksek hassasiyete sahiptir ve daha az numuneyle yaş tayini yapabilir ancak daha pahalı bir işlemdir.
  • AMS, arkeoloji ve jeoloji haricinde biyomedikal araştırmalar ve okyanuz biliminde de kullanılır.

Numunelerdeki radyokarbonun ölçümü için günümüzde iki teknik kullanılmaktadır. Bunlar, radyometrik analiz ve AMS’dir.

İki tekniğinde başlıca kullanım alanı, arkeolojik kalıntıların ve jeolojik numunelerin içlerindeki karbon-14 içeriğinin tespitidir. Bu iki teknikte, modern standart olarak genellikle Oksalik asity a da diğer referans malzemeleri kullanılır. Her iki teknikte hassas sonuçlar üretse de, temel olarak süreçleri farklıdır.

Radyometrik analizde, bozunan karbon-14 atomlarının beta parçacıkları tespit edilirken, AMS’de karbon-14 atomlarının kaç adet olduğu sayılır. Her iki tekniğinde birbirine göre avantaj ve dezavantajları mevcuttur.

Hızlandırılmış Kütle Spektroskopisi

Kütle Spektrometreleri, atomic ağırlıklarına göre farklı elemenlerin atomlarını ayrıştırabilir. Ancak, atomic ağırlıkları aynı olan iki adet farklı izotopu ayrıştıramaz. Örneğin, karbon-14 ve azot-14 gibi.

Nükleer fizikdeki gelişmeler sayesinde, artık kütle spektrometreleri çok az miktardaki farklı elementi çok fazla sayıdaki diğer bir atomdan kolayca ayrıştırabilmektedir. Bu gelişmeler, karbon-14 atomu etrafında bulunabilecek çok fazla sayıdaki farklı element arasından tek bir izotopun ayrıştırılmasına olanak verir.

AMS Nasıl Çalışıyor?

radiocarbon AMS lab

Hızlandırılmış Kütle Spektroskopiyle radyokarbon yaş tayini sırasında iki temel adım mevcuttur. İlk önce, iyonlar çok yüksek kinetik enerjilerde hızlandırılırlar ardından ise kütle analiziyle karbon-14 ayrıştırılır.

İki tür hızlandırıcı çeşidi bulunmaktadır. Bunlar, siklotron ve tandem elektrostatik hızlandırıcı’dır.

Tandem Hızlandırıcı ile AMS Analizi

Ön işlemden sonra, AMS ile radyokarbon yaş tayini için numuneler katı grafit forma dönüştürülürler. Bu işlem, metal bir katalist yardımıyla CO2’in grafitizasyonu şeklindedir. Grafitizasyon sırasında, azot-14 gibi elemenler de kullanılarak numuneler yakılarak grafite dönüştürülür.

Numuneler birkaç milligram grafite dönüştüğünde, metal disklerin içine basılırlar. Bu metal diskler daha sonra hızlandırıcıya yerleştirilir.

Sezyum tabancasından yollanan iyonlar bu metal disklerin olduğu çeneye gelerek negative iyonlanmış karbon atomlarını oluşturur. Bu negatif iyonlanmış karbon atomları ise sensörlü tespit bölümünden ve injeksiyon mıknatısından geçerek, tandem hızlandırıcıya girerler. Bu aşamada kararlı olmayan negatif yüklü atomlar ayrıştırılmış olur ve onlar hızlandırıcıya giremezler. Hızlandırıcıda, 2 milyon voltluk farka çıkan bir hızlandırma işlemi gerçekleşir.

Negatif yüklü karbon atomları daha sonra elektronlarını kaybedecekleri bir bölümden geçerler. Burada aynı zamanda üçlü pozitif yüklü atomlar şeklinde gruplanırlar. Bu aşamadan sonra tüm moleküller ayrışmış olur. Pozitif yüklü karbon atomları normalde durmaları gereken noktadan çok daha uzakta dururlar ve böylece ayrışma işlemi tamamlanmış olur. Kütle analizi kısmında, dışarıdan uygulanan bir manyetik alan atomları normalde gitmeleri gereken yoldan saptırır. Aynı hıza sahip ancak farklı kütleleri olan atomlar örneğin karbonun farklı izotopları gibi bu aşamadan sonra ayrışmış olur. Ağır olanlar daha az saçılırken hafif olanlar örneğin karbon-12, daha fazla saçılır. Böylece karbon-14 atomlarının sayıları tespit edilirken aynı zamanda karbon-12 ve karbon-13 lerde tespit edilmiş ve izotopların birbirine olan oranları bulunmuş olunur.

AMS ile Radyokarbon Yaş Tayininin Avantajları

AMS’nin radyometrik analize göre en büyük avantajı çok daha küçük numune boyutlarına ihtiyaç duymasıdır. AMS 20 mg lık bir numuneden bile yaş verebilen bir tekniktir. Radyometrik analizin 10 gram numuneye ihtiyaç duyduğu bir işlem için AMS sadece 500 mg ile analizi tamamlayabilir. Örneğin bir kemik numunesi için 100 gram ile yaş verebilen radyometrik analize karşın AMS 1000 de 1 oranında daha az numuneyle aynı yaşı verebilir.

Radyokarbon yaş tayini tahribatlı bir tekniktir. Analize giren malzemenin tamamı süreç içinde kullanılır ve geri dönüştürülemez. Bu yüzden, her ne kadar çok küçük ağırlıklar yeterli olsa da paha biçilemeyen numuneleri gönderirken bunları göz önünde bulundurmak gerekmektedir.

AMS’nin hassasiyeti nedeniyle günümüzde artık kan damlacığı, tohum parçası gibi çok küçük ağırlıklara sahip malzemelerin de analizleri başarıyla yapılabilmektedir.

AMS aynı zamanda radyometrik analizden daha hızlı sonuç verebilen bir tekniktir. Özellikle çok acil sonuç alınması gereken durumlarda 1 iş gününde dahi sonuç alınabilmektedir. Ancak, bu kadar kısa sürede sonuç alabilmek için laboratuvar tüm önceliklerini tek bir numuneye ayırmak zorunda kalabilir bu da analizin maliyetini normal seviyeden birkaç kat yükseltebilir. Ayrıca, bir hızlandırıcı aynı anda en fazla birkaç numuneyi işleyebilmektedir.

Son olarak, AMS ölçümlerinin radyometrik analizlerden daha yüksek bir hassasiyete sahip olduğunu söylemek mümkündür.

AMS ile Radyokarbon Yaş Tayininin Dezavantajları

AMS’nin en büyük dezavantajı yatırım maliyetinin çok yüksek olması ve bu alanda uzman olan yetişmiş insan gücünün çok az olmasıdır. Bunların dışında, analiz sırasında numunelerin kontamine olmamasını sağlamak için çok gelişmiş ve düzenli bir sisteme sahip olmak gerekmektedir. Ön işlemler sırasında yapılabilecek bir insan hatası, bir araştırma grubunun tüm bir kazı sezonu boyuncaki emeklerini ziyan edebilir. Bu yüzden, laboratuvar seçimi yapılırken, akredite bir laboratuvar ile çalışıp bu gibi olumsuz etkenleri ortadan kaldırabilmek mümkündür.

AMS’nin Diğer Uygulamaları

Arkeoloji, jeoloji ve okyanus bilimi araştırmaları haricinde, AMS biyomedikal laboratuvarları tarafından farmakokinetik, toksikoloji ve mikro dozlama araştırmalarında kullanılır.

AMS okyanusların ve toprağın doğal karbon-14 miktarlarının ölçülmesi ve analizlerinde de kullanılır.