В 2023 году увеличилось количество запросов на исследования с использованием метода ускорительной масс-спектрометрии

Запись на них ведется на полгода вперед. Ученые научной группы ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» разрабатывают первый отечественный низковольтный универсальный ускорительный масс-спектрометр, который сможет заменить зарубежные аналоги.

Работа над созданием отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра проводятся учеными Новосибирского государственного университета, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и Института археологии и этнографии СО РАН в составе научной группы Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» в соответствии с планом проекта, который был поддержан программой «Приоритет-2030». Сконструирован и протестирован детектор для установки УМС.

Его разработкой занимались специалисты ИЯФ СО РАН, основным разработчиком стала аспирант института Тамара Шакирова. Она и проводила испытания детектора и на отечественном ускорителе, и на установке швейцарской установки MICADAS, принадлежащем НГУ. В обоих случаях испытания прошли успешно и работоспособность устройства была подтверждена.

Сконструирован ионный источник установки УМС.

— Мы провели реверс-инжениринг ионного источника установки MICADAS. Изучили его конструкцию, проанализировали сильные и слабые стороны устройства подачи образца в камеру с источником излучения.

Новый источник сконструирован с измененными параметрами, направленными на повышение производительности, повышение качества пучка ионов и упрощение обслуживания установки. Ускорительный масс-спектрометр MICADAS достаточно сложен в обслуживании. Обратиться за помощью к производителю мы в настоящее время не имеем возможности, и мы вынуждены самостоятельно разбираться в конструкции прибора, изобретать технические решения по его ремонту и обслуживанию. С одной стороны, это создает определенные трудности в нашей работе, а с другой – способствует повышению нашей квалификации и дает знание того, как обойти какие-либо проблемы, которые возникают при функционировании установки, — пояснила заведующая ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ», исполняющая обязанности заведующего кафедры физической химии Факультета естественных наук НГУ Екатерина Пархомчук.

ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» — единственный в России, и только он располагает установками УМС. Остальные научные центры с аналогичным оборудованием находятся за рубежом, и сотрудничество российских ученых с ними прервано. По этой причине с прошлого года потребность в таких исследованиях резко возросла. Другой причиной увеличения количества запросов на УМС-исследования стало успешное прохождение кросс-тестирования обоими ускорительными масс-спектрометрами и графитизаторами Центра. Его результаты были озвучены в сентябре 2022 года на научной конференции в г. Цюрих. Данные о радиоуглеродном датировании 17 различных образцов международного кросс-тестирования (GIRI), полученные на обеих установках УМС, полностью совпали с правильными ответами.

Установка ускорительной масс-спектрометрии MICADAS рассчитана на 1500 исследований в год. Таким образом проанализировать удается ежегодно по 550-580 образцов — анализ в каждом случае дублируется, кроме того, обязателен в каждом исследовании анализ образцов стандартов и «фоновых» материалов. Производить большее количество исследований не позволяют возможности аппаратуры. Поэтому очередь на исследования расписана до лета будущего года. Екатерина Пархомчук отметила, что это происходит впервые в ее практике.

Среди многочисленных организаций, отправляющих образцы на исследование — Геологический институт РАН (г. Москва), Институт истории материальной культуры РАН (г. Санкт-Петербург), Институт океанологии РАН (г. Москва), Институт археологии РАН (г. Москва), Восточный институт Дальневосточного федерального университета (г. Владивосток), Институт промышленной экологии (г. Екатеринбург), Оренбургский государственный педагогический университет, Исторический музей (г. Москва), Музей мамонта СВФУ (г. Якутск).

— Большая часть исследований направлена на установление возраста археологических находок. На комплексе УМС мы анализируем кости людей и животных, нагар на древней керамике, образцы тканей, кожи. В последнее время стало очень много образцов из Якутии — ученые установили, что люди с древнейших времен осваивали арктическую зону и селились далеко за Полярным кругом. Геологи присылают на анализ образцы песка, угля, суглинков, донных отложений, а почвоведы — образцы торфа. Нередко ученым разных сфер науки важно знать возраст образцов, в которыми они работают. В этом году поступила большая партия образцов — более 60, — от нескольких лабораторий Института археологии РАН. Годом ранее они уже обращались к нам и остались довольны сотрудничеством с нашим Центром. Если раньше образцы поступали к нам с территории Сибири и Дальнего Востока, то в последнее время все больше заказов на исследования стало поступать из европейской части страны. Раньше они сотрудничали с зарубежными научными центрами, располагающими ускорительными масс-спектрометрами, теперь же они лишены этой возможности, — рассказала Екатерина Пархомчук.

Производительность комплексов УМС предельна, срок эксплуатации не превышает 10 лет. Проект по созданию отечественного оборудования рассчитан на 5 лет. Задача ученых Центра — за это время не только завершить работу над ним, но и подготовить квалифицированных специалистов, способных эксплуатировать и обслуживать установку.

Справка:

Метод ускорительной масс-спектрометрии базируется на подсчете количества атомов радиоактивного изотопа углерода С-14 в исследуемом образце. На нашей планете он встречается крайне редко.

Ускорительный масс-спектрометр работает только с графитовыми мишенями. Поэтому образец органического вещества должен быть предварительно очищен и пропущен через так называемый графитизатор. Предварительно из костей извлекают коллаген, из почвы — гуминовые кислоты, из древесины – целлюлозу, углекислый газ, растворенный в подземной воде, преобразовывают в карбонаты металлов, из органического вещества почв или осадков получают углекислый газ. Затем все эти вещества проходят многостадийную процедуру зауглероживания, или графитизации.

Полученный образец графита запрессовывается и отправляется в ускорительный масс-спектрометр, где происходит ионизация вещества под воздействием высокого напряжения и нагретых атомов цезия, разгон ионов, перезарядка и поворот пучка ионов с дальнейшим поштучным подсчетом атомов радиоуглерода в графите относительно основного изотопа С-12 или стабильного изотопа С-13.