УСКОРИТЕЛЬНАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
РАСШИРЯЕТ
ГОРИЗОНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
14-19 сентября 2008 г. в Риме состоялась очередная, одиннадцатая по счету, международная конференция по ускорительной масс-спектрометрии (Accelerator Mass Spectrometry, сокращенно AMS-11). В данном сообщении хотелось бы поделиться с коллегами информацией о ее работе, а также мыслями, появившимися после участия в данном форуме.
Я.В. Кузьмин, участник AMS-11, д.г.н.,
Институт геологии и минералогии СО РАН
В двух словах объясню, что скрывается за аббревиатурой AMS. Это исследования космогенных (т.е. образованных в результате бомбардировки Земли космическими лучами и частицами) и техногенных изотопов путем прямого измерения количества их атомов в веществе. Поскольку содержание таких изотопов крайне невелико (например, количество углерода-14 на Земле составляет всего 10-12 % по отношению к изотопам углерод-12 и 13), то для их измерения необходимо ускорение потока ионов данных атомов путем придания им высокой (до 3-5 миллионов электронвольт) энергии. Эта задача решается с помощью ускорителя частиц типа циклотрона или тандетрона.
Важнейшей особенностью метода AMS является его высокая чувствительность. Так, при радиоуглеродном (14С) датировании с помощью технологии AMS необходимо очень малое количество материала (угля, древесины, ткани, кости), что позволяет определять возраст уникальных предметов. Хрестоматийным примером стало 14С датирование знаменитой Туринской плащаницы, проведенное в трех AMS лабораториях в 1988 г. по образцу ткани весом всего 150 миллиграммов. Ожидаемый возраст около 2000 лет назад (по преданию, в плащаницу было завернуто тело Иисуса Христа при его погребении) не подтвердился — льняная ткань была изготовлена около 690 лет назад (XIII-XIV вв. н.э.).
 |
|
Вот с таким настроем на новые методы и объекты исследований я отправился на AMS-11. Конференции по AMS проводятся с 1978 г. регулярно, раз в три года и собирают несколько сотен участников. Так совпало, что в этом году отмечается 30 лет существования AMS метода; если быть более точным, то в 1977 г. (31 год назад) опубликованы первые работы, в которых была показана возможность прямого измерения содержания космогенных изотопов методом масс-спектрометрии. Этому событию была посвящена специальная сессия на AMS-11, где о начальном периоде исследований поведали ветераны AMS — ученые из США, Канады и Франции.
В работе конференции приняли участие около 320 ученых из 29 стран Европы, Америки, Азии, Африки, Австралии и Новой Зеландии. В оргкомитет было подано 330 тезисов докладов, из которых 75 были заслушаны на заседаниях секций, а 255 обсуждены как стендовые сообщения. Представленные на AMS-11 материалы после рецензирования будут опубликованы в специальном выпуске журнала «Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. Section B» издательства Elsevier (по данным за 2006 г. импакт-фактор издания равен 0,95).
В настоящее время в мире активно работает около 65 AMS лабораторий (не считая исследований биомедицинского плана). Производительности некоторых из них можно только позавидовать — так, в одной из старейших в мире AMS лабораторий в Университете Аризоны (г. Тусон, США), где мне в течение 1997-2008 гг. удалось проработать в общей сложности около двух лет, в 2007 г. было сделано 6300 измерений изотопов 14С,
129I и 10Be.
Интерес к AMS-11 со стороны представителей российской науки объясняется еще и тем, что Сибирское отделение РАН в последние годы также стало заниматься вопросами, связанными с созданием технологии AMS. По словам Е. Л. Гольдберга, руководителя Центра коллективного пользования «Геохронология кайнозоя» при ИАЭТ СО РАН, в настоящее время проводится монтаж и пуско-наладка первого российского ускорительного масс-спектрометра в специально подготовленном бункере в здании Центра в новосибирском Академгородке. Масс-спектрометр разработан и изготовлен ИЯФ СО РАН в рамках заказных проектов Президиума СО РАН 2003-2008 гг.; в его создании и комплектации участвовал также ряд других организаций Академгородка и СО РАН.
Среди изотопов, которые изучаются методом AMS, есть такие, которые исследуются уже 30 лет — углерод-14 и бериллий-10 (10Be); за последние 20-25 лет к ним добавились алюминий-26, хлор-36 и йод-129. На конференции был представлен ряд важных докладов, являющихся итогом выполнения больших научных программ, часто совершенно неформальных, т.е. не объединенных какими-то фондами и организациями, а связанных направлениями, которые отражают новейшие и важнейшие тенденции в мировой науке. Такими, в частности, были отчеты о работе по калибровке шкалы 14С времени вплоть до 45-50 тысяч лет назад (проект IntCal) и о прогрессе в калибровке других космогенных изотопов (рабочая группа CRONUS).
Наиболее распространенным изотопом в AMS исследованиях является углерод-14. Он применяется для решения очень широкого спектра задач геологии, океанологии, археологии, метеоритных исследований, физиологии и даже криминалистики. Так, 14С датирование отложений конца эпохи последнего оледенения позволило предложить удревнение начала сильнейшего похолодания позднего дриаса (около 13000 лет назад), имеющего важное палеоклиматическое значение, на 300 лет. Это показывает степень точности, достигнутую в исследованиях с использованием метода AMS. Другой пример — определение активности изотопа 14С в растворенном в морской воде углекислом газе. Океанографическим институтом Вудс-Хол (США) в течение 1990-х гг. были отобраны с различных глубин Мирового океана и проанализированы около двадцати тысяч (!) проб, что дало возможность реконструировать ряд важнейших процессов океанской циркуляции. Другим, совершенно отличным по своей идеологии, направлением AMS-исследований является изучение углерода-14, образовавшегося в кристаллах кварца и других минералов под действием космических лучей (т.н. in situ 14С). Поскольку время экспозиции сложенной горными породами поверхности может быть определено методом AMS, становится возможным установить, насколько стабильны данные формы рельефа. Это крайне важно при выборе мест захоронения низкоактивных ядерных отходов; обширные работы были проведены на полигоне Юкка Маунтин (штат Невада, США).
В таких видах исследований, как изучение вариаций содержания 14С в атмосфере и датирование археологических объектов, метод AMS позволил достичь невиданных ранее результатов. Стало возможным измерять содержание 14С в единичных кольцах ископаемых стволов деревьев; датировать отдельные семена культурных злаков и образцы фораминифер (водных организмов с мелкой карбонатной раковиной) весом в несколько миллиграммов, и многое другое. На конференции, например, были представлены результаты датирования корочки пищевого нагара на древней керамике; дверей базилики св. Амброзия в Милане (Италия); металлических клинков эпохи раннего железного века из болота Нидам в Дании; одной из древнейших в Азии (около 6800 лет назад) деревянных лодок, найденной на юге Кореи.
Перспективы применения метода AMS в сибирской геологии и археологии очевидны; такого рода работы уже более 10 лет ведутся нашей неформальной российско-американской командой. От ее лица мною на AMS-11 были сделаны доклады, посвященные 14С датированию скорлупы яиц вымерших страусов Центральной Азии (выяснилось, что они дожили в Монголии вплоть до 10000, а в Туве и Забайкалье — до 13000 лет назад), и определению 14С возраста раковин моллюсков из осадков Аральского моря для реконструкции истории его развития.
С помощью измерения содержания бериллия-10 в горных породах было определено время, прошедшее с момента выхода на поверхность валунов в моренах (ледниковых отложениях) Альп и гор Новой Зеландии; таким образом, можно устанавливать возраст ледниковых подвижек, связанных с изменениями климата. Группа японских исследователей попыталась с помощью изотопов 10Be и 26Al определить возраст донных осадков Байкала. Бериллий-10 широко используется для изучения изменений геомагнитного поля Земли; носителем сигнала данного изотопа являются лёссы и отложения снега на ледниковых щитах. В результате появляется возможность определить изменения солнечной активности (снег) и реконструировать количество осадков, выпадавших в данной местности в прошлом (лессы). Перспектива применения данного изотопа в Сибири, где широко развиты лессы и лессовидные породы, очевидна. Важное место в AMS-исследованиях занимает теперь анализ содержания изотопа йод-129, образующегося в результате переработки ядерного топлива с последующим сбросом использованной воды в океан. Используя как носитель сигнала йода-129 кораллы, абсорбирующие данный изотоп, можно изучать циркуляцию вод Мирового океана и проводить мониторинг ядерного загрязнения среды.
Из «экзотических» изотопов, которые изучаются с помощью AMS метода, можно назвать такие, как
кремний-32; марганец-53; железо-60; селен-79;
самарий-146, 151; гафний-182; протактиний-231; плутоний-239, 240, 244. В качестве примера приведу работы по плутонию-239 и 240: измерение их соотношения в морских осадках у побережья Средиземного моря в местности Паломарес в Испании (где в 1966 г. произошло крушение самолета с водородными бомбами на борту), подтвердило, что водная среда, как и прилегающая суша, оказалась зараженной оружейным плутонием.
В плане аппаратуры для AMS уже более 10 лет существует тренд в сторону меньших напряжений масс-спектрометров. Первые приборы работали в диапазоне энергий 3-5 и более миллионов электронвольт; такие установки, которые я неоднократно посещал, имеют размер, сопоставимый с небольшим заводским цехом, и требуют не менее десятка единиц высококвалифицированного обслуживающего персонала. Сейчас разработаны, изготавливаются промышленным образом и используются AMS машины с напряжением 250-500 тысяч электронвольт, которые требуют для эксплуатации участия двух-трех человек и помещаются на площади 100 квадратных метров. Соответственно уменьшилась и цена ускорителей — с 3-4 до 1 миллиона долларов США.
Немного о сопровождавших конференцию мероприятиях. В Риме, этом Вечном Городе, трудно найти лучший символ, чем построенный императором Титом в 80 г. н.э. Колизей, контуры которого выбраны в качестве эмблемы конференции. В рамках культурной программы были организованы пешеходные экскурсии по объектам Римской империи, памятникам эпохи христианства, по площадям и фонтанам Рима. Традиционный банкет проходил в палаццо Роспиглиози Паллавиччини, находящимся рядом с резиденций Президента Италии — Квиринальским дворцом. Участникам AMS-11 было оказано истинно итальянское гостеприимство!
Несомненно, что AMS-исследования являются одними из самых высокотехнологичных в области наук о Земле, и с их помощью решаются новые задачи, немыслимые еще 20-25 лет назад. В связи с этим хочу поделиться возникшими после участия в работе AMS-11 соображениями. Очевидно, что российская наука отстала в данном направлении как минимум на 10-15 лет; примеры исследований с использованием возможностей AMS в России все еще единичны. Необходимо равняться на новейшие запросы мировой науки и ставить задачи, ориентированные на применение передовых технологий. Это даст нам возможность получать принципиально новые и важные результаты, сравнимые по уровню с общемировыми. Примеры таких работ есть, но они все еще в меньшинстве. Хочется верить, что на следующей AMS конференции, которая пройдет в 2011 г. в Китае или Новой Зеландии, Россия будет представлена не в единственном числе (в лице автора), а группой специалистов. Вот на этой оптимистичной ноте и хочется закончить очерк о пребывании на AMS-11.
стр. 8
|
