Ученые НГУ Лаборатории космологии и физики элементарных частиц Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета Новосибирского государственного университета разработали время-проекционную камеру низкого давления для экспериментов на протонных и ионных пучках низкой энергии. В связке с установками ускорительной масс-спектрометрии они позволят проводить мультиизотопные исследования образцов на мировом уровне. Разработчики устройства предполагают, что предложенная ими методика идентификации ионов будет использоваться на ускорительных масс-спектрометрах Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» для датировки археологических и геологических объектов. Данный проект получил грантовую поддержку Российского научного фонда.
Время-проекционная камера (ВПК) — это разработка новой методики идентификации ионов на ускорительном масс-спектрометре (УМС), которая основана на измерении длин их пробегов в ВПК низкого давления с усилением зарядового сигнала с помощью газового электронного умножителя (ГЭУ).
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» подсчетом 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 вглубь до 75 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 учеными Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН более 10 лет назад. Второй ускорительный масс-спектрометр MICADAS швейцарского производства приобретен в 2019 году. Ученые Новосибирского государственного университета, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Института археологии и этнографии СО РАН и Института катализа им. Г.К. Борескова 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».
— На обеих установках УМС, которыми располагает ЦКП, проводится измерение концентрации 14C в подготовленных образцах, но у отечественной имеется возможность проводить измерения с другими редкими космогенными нуклидами, например, с 10Be. Однако фон от изобары 10B делает невозможным такие измерения. В результате выполнения нашего проекта будет разработана новая методика идентификации ионов на УМС, основанная на измерении длин пробегов ионов в ВПК низкого давления с усилением зарядового сигнала с помощью газового электронного умножителя (ГЭУ). В этом заинтересованы многие ученые, поскольку им приходится проводить данные исследования за рубежом, что в наши дни весьма затруднительно. Так, Институт земной коры СО РАН проводит бериллиевое датирование во Франции (CEREGE). В скором будущем с успешным завершением нашего проекта такая возможность появится и в России. Совместная работа ВПК низкого давления с ускорительными масс-спектрометрами позволит проводить мультиизотопные исследования образцов на мировом уровне, — рассказал руководитель проекта, старший научный сотрудник Лаборатории космологии и физики элементарных частиц Физического факультета НГУ Андрей Соколов.
В прошлом году в ходе выполнения первого этапа проекта для проверки данного метода было проведено моделирование длин пробегов ионов с помощью программы SRIM. А также разработана и успешно протестирована ВПК низкого давления. Для усиления зарядового сигнала использовались два типа микроструктурных газовых детекторов: «толстый» и «тонкий» ГЭУ. Кроме того, было показано, что использование тонкого ГЭУ вместо толстого существенно улучшает энергетическое разрешение при номинальном давлении в 50 торр.
— Используя полученные с альфа-частицами экспериментальные результаты и моделирование в SRIM, мы установили, что изобарные ионы бора и бериллия можно эффективно разделять на УМС на определенном уровне, что обеспечивает датирование в масштабе до 10 миллионов лет. Разработанная методика идентификации изобар найдет применение в датировании геологических объектов. ВПК низкого давления была установлена на УМС ИЯФ и успешно протестирована с образцами, содержащими такой космогенный изотоп, как 14C, — объяснил Андрей Соколов.
В прошлом году время проекционная камера впервые была установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который в данный момент проходит модернизацию. ВПК была успешно протестирована с образцами, содержащими такой космогенный изотоп, как 14C и показала себя работоспособной. Таким образом ученые выяснили, как можно сконструировать аналогичное устройство меньших размеров для установки УМС MICADAS. В настоящее время они разрабатывают конструкцию, с помощью которой смогут пристыковать ВПК к данному ускорительному масс-спектрометру и испытать ее в действии. Если результат будет положительным, далее будет создана меньшая по размеру ВПК, которую возможно будет установить и на прототип первого отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра.
— ВПК — это всего лишь один из необходимых элементов комплекса ускорительной масс-спектрометрии для детекции редких изотопов, с которым мы работаем. Для анализа реальных исследовательских образцов, например на содержание 10Be, потребуется также разработка и создание лаборатории пробоподготовки, включающей множество трудоемких и опасных процедур. В мире таких лабораторий всего несколько, стоимость работы с одним образцом превышает 1000 долларов. Поэтому приоритетной задачей ученых Академгородка, накопивших за 10 лет необходимый опыт и знания, должно стать развитие всего этого уникального высокотехнологичного комплекса, несомненно крайне важного для нашей большой страны, — прокомментировала директор ЦКП «УМС НГУ-ННЦ» Екатерина Пархомчук.
