C-14 Datierung mittels Massenbeschleunigungsspektrometrie

  • Die Massenbeschleunigungsspektrometrie (AMS) misst das C-14 in Proben.
  • Bei der AMS Datierung werden die Ionen mittels hohen kinetischen Energien beschleunigt und danach dem Massenanalysator zugeführt.
  • Die Proben werden vor der AMS Karbon Datierung in Graphit konvertiert.
  • Die AMS Datierung ist teurer als die radiometrische Datierung, allerdings ist die AMS Datierung auch präziser und benötigt eine kleinere Probenmenge.
  • Neben der Archäologie und der Geologie wird die AMS Datierung auch in weiteren Bereichen, wie der biomedizinischen Forschung und den Meereswissenschaften, angewendet.

Es gibt zwei Verfahren, um das C-14 in einer Probe zu messen—die radiometrische Datierung und die Massenbeschleunigungsspektrometrie(AMS).

Die zwei Verfahren werden hauptsächlich dazu verwendet die C-14 Anteile in archäologischen Artefakten oder geologischen Proben zu bestimmen. Beide C-14 Datierungsverfahren benutzen moderne Standards, wie Oxalsäure oder andere Vergleichsstoffe. Beide C-14 Datierungsmethoden erzeugen hochqualitative Befunde, jedoch unterscheiden sich die Verfahren grundlegend.

Die radiometrischen Datierungsmethoden messen die Betapartikel, die durch den Zerfall von C-14 Atomen entstehen, während die Massenbeschleunigungsspektrometrie die Anzahl der C-14 Atome in der Probe zählt. Beide Kohlenstoff Datierungsmethoden haben Vor- und Nachteile.

Massenbeschleunigungsspektrometrie

Massenspektrometer erkennen Atome bestimmter Elemente an ihrer Atommasse. Sie verfügen allerdings nicht über die Empfindlichkeit um Isobare (Atome von verschiedenen Elementen, die das gleiche Atomgewicht haben, wie z.B. C-14 und Stickstoff-14—das häufigste Isotop in Stickstoff) unterscheiden zu können.

Dank der Kernphysik wurden die Spektrometer fein abgestimmt, um so ein seltenes Isotop von seiner üppigen Nachbarmasse trennen zu können. Damit war die Massenbeschleunigungsspektrometrie geboren. Endlich war eine Methode entwickelt worden, die das C-14 in einer Probe messen kann und dabei die reichlich vorhandenen Isotope, die die C-14 Signale überschwemmen, ignoriert werden.

Wie funktioniert die AMS?

radiocarbon AMS lab

Der Prozess der C-14 Datierung mittels Massenbeschleunigungsspektrometrie besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Der erste Teil umfasst das Beschleunigen der Ionen auf außerordentlich hohe kinetische Energien und der anschließende Schritt ist die Auswertung im Massenanalysator.

Es gibt zwei Beschleuniger-Systeme, die häufig für eine C-14 Datierung durch die Massen Beschleunigung Spektrometrie eingesetzt werden. Eines ist das Zyklotron und das andere ist der Elektrostatische Tandembeschleuniger.

AMS Analyse mittels Tandembeschleuniger

Nach der Vorbehandlung werden die Proben, deren C-14 datiert werden sollen, auf die Behandlung mit dem Massenbeschleunigungsspektrometer vorbereitet, indem sie in eine feste Graphitform konvertiert werden. Dies wird erreicht durch die Umwandlung in Kohlendioxid mit anschließender Graphitisierung in Gegenwart eines Metallkatalysators. Durch das Brennen und Konvertieren der Proben zu Graphit kommen die Proben allerdings auch mit anderen Elementen, wie z.B. Stickstoff-14 in Kontakt.

Wenn die Proben auf diese Weise letztendlich in ein paar Milligramm Graphit konvertiert wurden, werden sie auf eine Metallscheibe gepresst. Es werden auch Referenzmaterialien auf Metallscheiben gepresst. Diese Metallscheiben werden dann auf eine Zielscheibe montiert, damit sie der Reihe nach analysiert werden können.

Ionen werden dann aus einer Cäsiumpistole auf die Zielscheibe abgefeuert, dadurch werden negativ ionisierte Kohlenstoffatome erzeugt. Diese negativ ionisierten Kohlenstoffatome werden dann durch Fokussiergeräte und einen Injektionsmagnet geleitet, bevor sie den Tandem Beschleuniger erreichen, der die Atome dann durch den positiven Anschlusspunkt bei einer Spannungsdifferenz von zwei Millionen Volt beschleunigt.

In dieser Phase sind andere negativ geladenen Atome instabil und können den Detektor nicht erreichen. Die negativ geladenen Kohlenstoffatome allerdings bewegen sich weiter zum Stripper (eine Gas- oder Metallfolie), wo sie ihre Elektronen verlieren und zu dreifach positiv geladenen Atomen werden. In dieser Phase werden Moleküle eliminiert, weil diese in der dreifach geladenen Umgebung nicht bestehen können.

Die dreifach positiv geladenen Atome bewegen sich bei weiterer Beschleunigung weiter vom positiven Terminal weg und gelangen durch weitere Fokussiergeräte, in denen dann die Massenanalyse stattfindet.

Bei der Massenanalyse werden diese beweglichen geladenen Teilchen einem Magnetfeld ausgesetzt. Dies hat zur Folge hat, dass die Partikel von ihrem ursprünglichen Weg abkommen. Wenn die geladenen Teilchen die gleiche Geschwindigkeit, aber eine unterschiedliche Masse aufweisen, wie im Fall der C-Isotope, werden die schwereren Teilchen zuletzt abgelenkt. Detektoren mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln zählen dann die Partikel.

Der Befund am Ende eines AMS Durchlaufs gibt nicht nur Aufschluss über die Anzahl der C-14 Atome in der Probe, sondern auch die Menge der C-12 und C-13 Atome. Aus diesen Daten kann man das Konzentrationsverhältnis von Isotopen erkennen. In Folge dessen wiederum lässt sich eine Bewertung des Ausmaßes der Fraktionierung abgeben.

Vorteile der AMS Analyse

Der größte Vorteil der AMS Radiokohlenstoff-Datierung gegenüber den radiometrischen Verfahren ist die kleine Probenmenge. Massenbeschleunigungsspektrometer benötigen nur zwischen 20 und 500 Milligramm einer Probe, wobei konventionelle Methoden mindestens 10 Gramm für eine Holz- oder Holzkohleprobe benötigen. Für eine Knochen- oder Sedimentprobe sogar bis zu 100 Gramm. Massenbeschleunigungsspektrometer benötigen circa 1.000-mal weniger Probenmaterial als konventionelle Methoden.

Durch die Radiokohlenstoff-Datierung werden die Proben zerstört. Darum wird die AMS Datierung von vielen Archäologen bevorzugt, weil sie nur eine kleine Probenmenge benötigt und die Archäologen verständlicherweise keine kleinen, teuren oder wertvollen Artefakte zerstören möchten.

Die Massenbeschleunigungsspektrometer sind so sensibel, dass man sogar kleine Partikel, wie etwa Blutpartikel, ein Korn oder einen Samen datieren kann.

Die AMS Datierung benötigt für eine Analyse von Proben außerdem weniger Zeit als das radiometrische Verfahren, welches 1-2 Tage dauern kann. Dagegen benötigt ein Massenbeschleunigungsspektrometer für eine Probe nur wenige Stunden.

Schließlich ist noch festzuhalten, dass AMS-Messungen in der Regel eine höhere Präzision und geringere Hintergründe aufweisen, als radiometrischen Datierungsverfahren.

Nachteile der AMS Radiokarbon Datierung

Die Massen Beschleunigung Spektrometrie ist ein leistungsstarkes Werkzeug, aber auch teuer. Der Aufbau und die Instandhaltung eines Massenbeschleunigungsspektrometers kostet mehrere Millionen Dollar.

Auf Grund der geringen Probenmenge ist die Prüfung auf Kontaminaten schwierig. Eine rigorose Vorbehandlung ist nötig um sicherzustellen, dass alle Verunreinigungen eliminiert wurden und diese somit nicht zu erheblichen Fehlern bei der Kohlenstoff-Datierung führen können.

Andere Anwendungsgebiete der AMS

Neben Archäologie, Geologie und Ozeanforschung wird AMS außerdem von biomedizinischen Laboren für “heiße” Proben verwendet, die mit 14C markiert wurden, um Drogen zu entdecken.

Massenbeschleunigungsspektrometer werden auch in der Pharmakokinetik, Metabolitdarstellung, Toxikologie und Mikrodosierung eingesetzt.

Die AMS wird auch verwendet, um natürlich vorkommende Ebenen von C-14 in den Ozeanen und sedimentäre Ablagerungen zu datieren. Die Massenbeschleunigungsspektrometrie wurde benutzt, um eine drei-dimensionale Karte der C-14 Verteilung in gelöstem anorganischem Kohlenstoff zu erstellen.

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