加速器質譜儀放射性碳定年

  • 加速器質譜儀檢測樣品中的碳14。
  • AMS定年包括加速離子到高動能的能量,然後進行質量分析。
  • 樣品在進行AMS定年之前會被轉化成石墨。
  • 儘管較輻射測試定年法昂貴,但是AMS定年方法的精準度更佳,而且只需少量樣品。
  • 除了考古學和地質學,AMS定年還被應用在其他領域,例如生物醫學研究和海洋科學研究。

測量樣品中的放射性碳有兩種技術—透過輻射測試法定年和透過加速器質譜儀(AMS)定年。

這兩種方法被廣泛地用來測試考古文物和地質樣品的碳14含量。 這兩種 放射性碳定年 採用近代標準,例如草酸和其他参考材料。儘管兩種放射性碳定年方法都能得出高品質的結果,但是它們的基本原理是不相同的。

輻射測試法檢測的是碳14原子的β粒子衰變,而加速器質譜儀計算的是樣品目前的碳14原子數量。兩種碳定年方法各有其優缺點。

加速器質譜儀

質譜儀根據原子量檢測特定元素的原子。然而,它們卻没有能力區别原子等壓線(不同元素的原子擁有相同的原子量,比如碳14和氮14,這種最常見的氮同位素 )。

由於原子核物理學, 質譜儀經微調,已可自眾多的鄰近質量中,分離出罕見的同位素,從而產生了加速器質譜儀。其最終發展成一種能忽略碳14訊號周邊繁多同位素,並檢測出樣品中碳14的方法。

加速器質譜儀是如何進行的?

radiocarbon AMS lab

加速器質譜儀的放射性碳定年過程含兩部分。第一部分是加速離子到非常高的動能能量,第二部分是隨之其後的質量分析。

常見於加速器質譜儀的加速系統有二,一為粒子迴旋加速器,一為串列靜電加速器。

使用串列加速器的AMS分析

預處理完之後,將欲使用加速器質譜儀進行放射性碳定年的樣品,轉化成固體石墨形式。轉化方式是將樣品轉換成二氧化碳之後,接著在金屬催化劑的作用下進行石墨化。燃燒樣品將其轉化成石墨,但其同時,也會使其他元素進入樣品,比如氮14。

當樣品最終被轉化成幾毫克的石墨後,它們被壓在一個金屬盤上。對照材料同樣也被壓在金屬盤子上。之後,將這些金屬盤子安裝於輪靶上以便依序進行分析。

之後將來自銫槍的離子射向輪靶,產生負離子化碳原子。這些負離子化碳原子穿過聚焦裝置和注射磁體後到達串列加速器,而後透過兩百萬伏特的高壓電加速到正極端子。

在這個階段,其他帶負電荷的原子因為不穩定而無法到達探測器。而這些帶負電荷的碳原子會轉移到剝離器(一個氣體或金屬箔),在那裡它們將失去電子,成為三價的帶正電碳原子。在這個階段,出現的分子可能被消除掉,因為它們無法存在於這種三價帶電狀態。

帶有三價正電荷的碳原子進一步加速遠離正極端子,穿過另一套聚焦裝置,進行質量分析。

在質量分析中,將磁場套用在這些移動的帶電粒子上,使其偏離移動路徑。如果帶電離子有相同的速度但擁有不同的質量,如同碳同位素的情況,較重的粒子偏離得最小。不同偏轉角度的探測器就能計算粒子數。

在AMS定年的最後階段,不僅收集到樣品中的碳14原子數量,也收集到了碳12和碳13的數量。從這些數據就可推知同位素的濃度比,其可用於評估分餾的等級。

AMS放射性碳定年的優點

對比輻射測試方法定年,AMS放射性碳定年最大的優點就是樣品量小。對於某些樣品,加速器質譜儀僅需20至500毫克的量,然而常規的方法則需要較多的量,如 木頭和木炭至少需10克,而骨頭和沉積物至少需100克。一般而言,加速器質譜儀需要的樣品量少於常規方法的1000倍。

放射性碳定年是一個破壞性過程。因此,其在分析樣品,尤其是微量樣品的能力,對於擁有少量文物的考古學家,以及因材料昂貴或稀有,而無法破壞的研究人員來說,加速器質譜儀是他們的選擇。

由於加速器質譜儀的靈敏度,如血液粒子、穀粒或種子等小粒子碳定年皆有辦法進行。

比起輻射測試方法需要1或2天的時間,加速器質譜儀分析樣品中碳14含量需時更短,一個樣品僅需幾小時即可完成。

最後,不可不提的是,相對於輻射測試法,AMS測量通常精準度更高,而背景值也較低。

AMS放射性碳定年的缺點

加速器質譜儀雖然是強大的工具,也是昂貴的工具。建置和維護加速器質譜儀需要花費數百萬美元。

由於樣品量太小的關係,污染物控制也很困難。需要執行嚴格的預處理,以確保污染物已清除且不會導致碳定年過程出現重大誤差。

AMS的其他應用

除了考古學、地質學和海洋科學研究以外,使用標有14C"熱"樣品的生物醫學實驗室,也透過AMS來開發藥物。

加速器質譜儀也被應用於藥物動力學、代謝物分析、毒理學和微劑量給藥。

AMS可用來確定海洋裡碳14的自然豐度、檢測 沉積層的碳定年,也可用來繪製分布在溶解無機碳的碳14三維地圖。