В новосибирском Академгородке действует ускорительный масс-спектрометр, разработанный и изготовленный специалистами Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. На этой установке проводится широкий спектр междисциплинарных исследований. В этом году сотрудники ИЯФ СО РАН разработали новый детектор, который позволит существенно расширить круг задач для УМС — датировать объекты, возраст которых составляет несколько миллионов лет. Других установок, позволяющих проводить подобные исследования, в России пока нет.
В новосибирском Академгородке вокруг метода УМС сложилась кооперация нескольких организаций: Института археологии и этнографии СО РАН, Новосибирского государственного университета, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Будкера СО РАН», ИЯФ СО РАН и других. Метод ускорительной масс-спектрометрии заключается в прямом подсчете количества атомов радиоуглерода в исследуемом образце, поэтому он чувствительнее любых других в тысячи раз. При первичной селекции выделяется пучок отрицательных ионов с близкими к радиоуглероду массами, после чего он ускоряется напряжением миллион вольт. Далее его пропускают через мишень, в которой ионы перезаряжаются в положительные и вовлекаются в следующий этап ускорения. При этом молекулы разбиваются на части, что позволяет избавиться от них на последующих этапах селекции. Выходящие из ускорителя ионы 14C подсчитываются поштучно.
«Наш УМС имеет широкие возможности, но, если использовать его для регистрации тяжёлых ионов, возникают проблемы, частицы становятся трудноразличимы по их ионизационной способности. Сейчас мы планируем установить новый детектор и перейти от работ с углеродом 14 к другим изотопам. Это позволит существенно расширить спектр возможностей нашей установки, — рассказывает главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик Василий Васильевич Пархомчук. — Если сейчас нам доступна датировка образцов возрастом до пятидесяти тысяч лет, то с новым детектором мы сможем заглядывать в прошлое на миллионы лет. Появится возможность привлечь исследователей из разных областей науки, особенно актуальной новая возможность будет для геологов».
Новый детектор находится на финальной стадии разработки и помимо геологии сможет использоваться для анализа образцов из области археологии, медицины и космологии. «По своей сути детектор является камерой, заполненной газом. Она имеет форму цилиндра диаметром 15 см и длиной 25 см, — описывает детектор младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Тамара Маратовна Шакирова, — на набор статистики для одного образца будет тратиться несколько десятков минут времени. В будущем планируется разработка системы сбора данных и написание специализированного ПО для оператора установки».
Возможными пользователями нового детектора могут стать специалисты Института земной коры СО РАН (Иркутск), Института археологии и этнографии СО РАН, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и других.
«Разработка детектора ведётся с 2010 года, его особенностью будет возможность работы с изотопами бериллия, бора, алюминия, йода, кремния и так далее, — поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Валерьевич Соколов. — Мы ожидаем, что одними из первых пользователей нового детектора станут ученые из ИЗК СО РАН, поскольку изучение осадочных пород вокруг озера Байкал представляет большой интерес для понимания некоторых геологических процессов, характерных для этого места, а также эволюции формирования пород. Сейчас специалисты Института земной коры вынуждены исследовать свои образцы на зарубежных установках. Большим преимуществом нового детектора является датировка объектов по концентрации бериллия, так как его период полураспада составляет 1,09 миллиона лет».
Руководитель лаборатории изотопных исследований ИАЭТ СО РАН кандидат химических наук Екатерина Васильевна Пархомчук также отмечает ценность исследований с расширенным набором изотопов: «Бериллий-10 и алюминий-26 интересные изотопы и, конечно, все развитые страны имеют ускорители, предназначенные для их регистрации, а в России пока нет ни одного. Между тем, ускоритель позволяет решать многие актуальные задачи. Но бериллий — чрезвычайно токсичное и канцерогенное вещество. Поэтому для работы с ним необходимо соблюсти все стандарты и создать особые условия, что скажется на стоимости работ. В Швейцарии, например, пробоподготовка для анализа бериллия-10 стоит около 1000 евро за один образец. Нужно понимать, в каком объеме пользователи смогут обеспечить задачами новые опции ускорителя. На мой взгляд, уважающая себя страна должна иметь набор ускорителей, который позволяет делать анализ всех возможных изотопов, поскольку среди исследователей всего мира это востребованный инструмент».
Например, как отметила Екатерина Пархомчук, швейцарская компания, специализирующаяся на производстве УМС, уже 10 лет поставляет свои установки во многие страны — в прошлом году было изготовлено четыре установки на радиоуглерод и две, позволяющие работать с бериллием и алюминием: «Естественно, новосибирский ИЯФ способен делать так же и лучше».
Еще один изотоп, на основе которого станет доступен анализ после ввода в эксплуатацию нового детектора, йод-131, можно использовать как индикатор аварий на атомных станциях или проведения ядерных испытаний, потому что других источников этого изотопа на земле нет. Таким образом, например, Китай контролируют ядерные испытания, а Япония проводит мониторинг работы атомных станций.
«Если на станции происходит утечка тяжелых радионуклидов, или запускается, например, неконтролируемая ядерная реакция, образующийся йод начнет поступать в окружающую среду. Он хорошо растворим в воде, и все живое начинает активно его поглощать. Поэтому его можно фиксировать по образцам воды, грунта, ракушек, моллюсков, кораллов. При этом важно вовремя собрать и проанализировать образцы, если процесс затянется на месяц, то проводить анализ будет уже бессмысленно», —добавила Екатерина Пархомчук.
На данный момент ученые занимаются имитацией реальных условий эксперимента при помощи альфа частиц. По словам разработчиков, эксперименты с альфа-частицами дали положительный результат, и сейчас основные усилия направлены на подбор сверхтонких окон, для ввода ионов в детектор и разработку оборудования, позволяющего избежать потенциальных аварий с нарушением высокого вакуума, необходимого для работы ускорителя.
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
