Научные сотрудники центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» впервые испытали детектор ионов на основе время-проекционной камеры низкого давления на ускорительном спектрометре MICADAS и получили первые результаты. Новое устройство было установлено вместо родного детектора MICADAS (ионизационной камеры), в котором происходит подсчёт ионов изотопа ¹⁴С, по результату которого и производится датировка исследуемого образца.

В 2023 году эта время-проекционная камера впервые была установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который сделан и обслуживается Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и находится в ЦКП «Геохронологии кайнозоя» Института археологии и этнографии СО РАН. Она была успешно протестирована на пучке ионов ¹⁴С с энергией 4 МэВ и показала себя работоспособной. Позднее данная камера была протестирована на пучке ионов ¹⁴С с энергией 0,4 МэВ на УМС MIKADAS. При благополучном прохождении экспериментов, в дальнейшем будет создана меньшая по размеру ВПК для установки на прототип первого отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра, который создается учёными НГУ в рамках программы «Приоритет — 2030».

Время-проекционная камера (ВПК) — в приложении к ускорительной масс-спектрометрии это методика идентификации тяжёлых ионов низких энергий, основанная на измерении их длин пробегов в газе.  Принцип работы следующий: ионы залетают внутрь камеры через тонкое входное окно. Далее они теряют энергию за счёт ионизационных потерь. В результате вдоль трека образуется след из ионов газа и электронов. Эти электроны под действием внешнего электрического поля дрейфуют в газе с постоянной скоростью в направлении ГЭУ , где происходит их усиление. В конце усиленные электроны собираются на коллектор и оцифровываются системой сбора данных. Таким образом, время сбора электронов соответствует длине пробега иона.

«Ранее время-проекционная камера разрабатывалась для УМС ИЯФ для  разделения ионов с одинаковыми атомными массами и разным зарядом ядра. Данный газовый детектор будет отделять ионы ¹⁰Be (бериллия) от ¹⁰B (бора). Так как ядра бора и бериллия имеют разный заряд, при равенстве начальных энергий их длины пробега в газовой среде различны и ВПК их разделит. ¹⁰Be имеет больший период полураспада (1,39 миллионов лет) по сравнению с ¹⁴С (5730 лет), поэтому измерение содержания ¹⁰Be даст возможность учёным проводить датирование геологических образцов», — объяснила директор ЦКП «УМС НГУ-ННЦ» Екатерина Пархомчук.

Ускорительный масс-спектрометр MICADAS, в отличие от мультиизотопного отечественного, направлен только на обнаружение и определение количества редкого изотопа ¹⁴С в исследуемых образцах. Ионы ¹⁴С проходят весь ускорительный масс-спектрометр и затем попадают в газовый детектор, где происходит их идентификация и подсчёт.

«В ускорительных масс-спектрометрах устанавливаются различные типы детекторов. Например, на УМС MICADAS стоит ионизационная камера. Её мы и заменили время-проекционной камерой. Одной из важных частей  ионизационной камеры MICADAS является предусилитель. Если он выйдет из строя, MICADAS остановится, и придётся либо приобретать новый предусилитель, что в сложившихся обстоятельствах очень затруднительно», — сказал инженер ЦКП Алексей Петрожицкий.

Важно, что у ионизационных камер есть один существенный недостаток — они работают в таком режиме, когда отношение сигнала к шуму далеко не оптимальное. К тому же предусилитель очень требователен к электронике, в отличие от газового анализатора, которым укомплектована время-проекционная камера.

«В нашем детекторе мы усиливаем сигнал с помощью газового электронного умножителя, который существенно снижает требования к электронике системы сбора данных. К тому же наша ВПК выдаёт гораздо лучшее соотношение «сигнал-шум», проста в изготовлении, эксплуатации и ремонте. Нам необходимо было найти ответ на вопрос: можно ли использовать ВПК в качестве детектора ионов ¹⁴С с энергией 0,4 МэВ? И в ходе работы пришли к положительному ответу. Мы уверены, что разработанную нами время-проекционную камеру можно использовать в качестве финального детектора на первом отечественном универсальном низковольтном ускорительном масс-спектрометре, над созданием которого мы сейчас работаем. Проводимые нами в настоящее время эксперименты направлены как раз на тестирование детектора для первого отечественного УМС, а установка MICADAS выступает в качестве доступного для нас источника пучка ионов. Это можно назвать первым кирпичиком для построения собственной установки. Когда в проекте уже имеется детектор, который регистрирует частицы, это значит, что уже перекрыт некий значительный участок проблем и к созданию нового УМС могут присоединиться другие специалисты, обеспечивающие выполнение работ на следующем этапе», — прокомментировала младший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН и ЦКП «УМС НГУ—ННЦ» Тамара Шакирова.

В настоящий момент испытания время-проекционной камеры на MICADAS проводятся на двух типах образцов: стандартный образец ANU (IAEA-C6, сахар) c содержанием ¹⁴С, с близким к современному уровню и «бланк» (полиэтилен CH — стандарт Elemental Microanalysis B2024) c содержанием ¹⁴С 0,002 от современного уровня. Целью испытаний является оптимизация рабочих параметров: давление рабочего газа, коэффициент усиления, скорость дрейфа электронов.

«Мы собрали достаточный объём данных, а в настоящее время занимаемся их обработкой и анализом. Главное, убедились, что время-проекционная камера работает в ожидаемом нами режиме и выдаёт чётко читаемые сигналы выше фоновых значений. Заведомо можно сказать, что углерод-14 мы по ним читать можем, что вполне подходит для проведения радиоуглеродного анализа образцов», — сказал Алексей Петрожицкий.

Ускорительная масс-спектрометрия — метод измерения концентрации в образце редких долгоживущих космогенных изотопов: ¹⁰Be, ¹⁴C, ²⁶Al, ³⁶Cl, ⁴¹Ca, ¹²⁹I. Он основан на извлечении атомов из исследуемого образца с последующим «поштучным» подсчётом интересующих изотопов. Высокая точность УМС-анализа позволяет измерять концентрации редкого изотопа. Данный метод применяют во многих науках, например в археологии, геологии, биомедицине, экологии, астрофизике. Наибольшее распространение он получил в радиоуглеродном датировании археологических объектов, то есть регистрации концентрации изотопа углерода-14. Временной интервал датирования по ¹⁴С уходит до 50 тысяч лет назад. Определение концентрации другого космогенного нуклида ¹⁰Be также вызывает интерес, поскольку временной интервал датирования гораздо шире — до 10 миллионов лет.

В настоящее время ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» располагает двумя установками УМС. Первая была создана учёными ИЯФ СО РАН более 10 лет назад. Второй ускорительный масс-спектрометр MICADAS швейцарского производства приобретён в 2019 году. Сотрудники НГУ, ЯИФ СО РАН, ИАЭТ СО РАН и ИК СО РАН  в составе научной группы Центра работают над созданием отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра, который объединит в себе преимущества первых двух установок. Проект рассчитан на пять лет и реализуется при поддержке программы «Приоритет—2030».

Текст: Елена Панфило.
Источник: пресс-служба НГУ.