AMS

Měření aktivity radiouhlíku je dnes realizováno prakticky výhradně pomocí urychlovačové hmotnostní spektrometrie, anglicky accelerator mass spectrometry (AMS). Proti dříve používaným radiometrickým metodám jsou AMS systémy rychlejší a s mnohem nižšími nároky na hmotnost vzorku (za 48 hodin lze změřit až desítky vzorků s hmotností menší než 1 mg).

Česká radiouhlíková laboratoř na počátku roku 2022 zahájila vlastní AMS měření pomocí systému MILEA (Multi-Izotope Low-Energy AMS, Ionplus). Kromě ¹⁴C je uzpůsoben k detekci ¹⁰Be, ²⁶Al, ⁴¹Ca, ¹²⁹I, U, Pu, dalších aktinoidů a teoreticky i dalších nuklidů. Systém MILEA je kompaktní AMS s maximálním napětím urychlovače 300 kV.  MILEA je sestavena z iontového zdroje s vakuovou komorou pro vstup pevných vzorků a s rozhraním na vstup plynných vzorků, iontově-optických prvků včetně kvadrupólových čoček, nízko energetického filtračního systému skládajícího se z elektrostatického analyzátoru (ESA), magnetu (M) a injektoru, urychlovače s heliovým terčíkem, vysoko energetické filtrace dvěma magnety a dalším elektrostatickým analyzátorem, komorou s Faradayovými válci pro detekci proudů a dvěma ionizačními komorami, tzv. průběžnou a koncovou.

Hybridní iontový zdroj systému MILEA umožňuje ionizovat atomy uhlíku v pevné i v plynné fázi, tedy takové, které jsou ve formě grafitu zalisované do hliníkových katod nebo ve formě oxidu uhličitého, který je v proudu helia veden kapilárou do zdroje. Naše AMS je vybavena víceúčelovým rozhraním (Gas Interface System) pro vstup oxidu uhličitého ve skleněných ampulích, v tlakových lahvích, nebo produkovaného spálením pevných vzorků v elementárním analyzátoru se zakoncentrováním sorpcí do syntetického zeolitu. Bez ohledu na způsob vstupu uhlíkových vzorků do iontového zdroje, vlastní měření vzorků probíhá ve třech vnořených cyklech tak, aby se potlačil vliv náhodných procesů ovlivňujících stabilitu proudů. Každý vzorek je proměřován v desítkách po sobě následujících cyklech trvajících desítky sekund a zároveň v cyklech s mikro – až milisekundovou frekvencí, ve kterých se měří vždy jen jeden izotop dle měnící se energie pulseru. Sekvence měření všech vzorků, včetně pracovních standardů, vzorků pozaďových a kontrolních, se několikrát opakuje tak, že výsledný čas měření jednoho vzorku je 1–3 hodiny, v závislosti na aktivitě vzorku, velikosti proudů a dalších parametrech.

AMS MILEA v Řeži

Excelentní citlivost AMS, která umožňuje měřit izotopový poměr ¹⁴C/¹²C na úrovni 10^-15, je dosažena synergií několika technologických řešení. První a zásadní je zařazení tandemového urychlovače spolu s energetickými a hmotnostními filtry, tedy elektrostatickými analyzátory a magnety. Díky vysokému urychlení mají ionty dostatečně odlišné energie na to, aby mohly být roztříděny žádoucí od nežádoucích, což ve srovnání s klasickou hmotnostní spektrometrií snižuje pozadí až o osm řádů. Druhé řešení představuje tvorba záporných iontů, k čemuž se využívá urychlený svazek cesiových kationtů. V případě AMS detekce uhlíku 14 je to spojené zejména s potlačením všudypřítomného izobarického dusíku, který nedokáže tvořit stabilní záporné ionty a který by jinak citlivé měření v podstatě vylučoval. Třetí unikátní řešení odstraňuje molekulární interference pomocí kolizního prvku, tzv. stripperu. Urychlenému svazku je do cesty postaven terčík, jehož průchodem záporně nabité ionty ztratí elektrony, a tedy změní polaritu, a zároveň disociuje většina molekulárních iontů.

Kýženým výsledkem AMS měření uhlíkového vzorku jsou poměry izotopů ¹⁴C/¹²C a ¹³C/¹²C. Vzhledem k řádově rozdílnému zastoupení, kdy poměr se vzrůstající hmotností izotopu klesá dle 99:1:10^-15, se musí systém vypořádat s jejich principiálně odlišným způsobem detekce. V současnosti nejpoužívanější strategií je sekvenční injektování svazku. Před urychlovač je do trasy zařazen injektor (anglicky bouncer či pulser), který s periodou v řádu mikro- až mili- sekund cyklicky mění napětí, a tedy energii procházejících iontů. Velikost napětí je volena tak, aby zbytkem AMS trasy procházel ideálně vždy jen jeden izotop. Rychlost střídání musí být vysoká, aby se potlačil vliv nevyhnutelných nestabilit svazku. Stabilní izotopy ¹²C a ¹³C se pak měří jako proudy ve Faradayových válcích, zatímco uhlík 14 se většinou detekuje pomocí pokročilých ionizačních komor. Klíčem k potlačení vzájemných interferencí izotopů je vyhodnocování signálu detektoru pouze ve vymezených časových oknech odpovídajících průchodu příslušného izotopu systémem.

Schéma ilustrujícíí funkci bounceru nebo-li pulseru se střídajícím se napětím