В России создали уникальное устройство, которое может заглянуть в прошлое

МОСКВА, 5 сен – РИА Новости. Первую в России модель специальной камеры для ускорительного масс-спектрометра, которая поможет ученым заглянуть в геологию и историю нашей планеты на 10 миллионов лет назад, создали специалисты НГУ. По их словам, новое устройство позволит искать и считать редкие атомы в материалах различной природы. Разработка поможет НГУ стать мировым центром по проведению самого дорогого химического анализа минералов и археологических находок, сообщили в пресс-службе вуза.

На сегодняшний день химикам известно 114 химических элементов, своего рода "сортов" атомов. Внутри этих "сортов" атомы тоже могут различаться, прежде всего, по массе, которая зависит от числа не только положительно заряженных протонов, но и нейтронов в ядре. Атомы одного и того же элемента с разным количеством нейтронов называются изотопами и могут значительно отличаться друг от друга физическими свойствами, рассказали специалисты Новосибирского государственного университета (НГУ).

Например, углерод – основной элемент всех живых организмов на Земле, имеет 15 изотопов с массами от 8 до 22 атомных единиц массы, 11 из которых распадаются менее чем за секунду. Изотопы ¹²С и ¹³С стабильны, первый составляет около 98,8% всех атомов углерода, а второй – около 0,96%. Но для исследований возраста природных объектов более важен изотоп ¹⁴С, образующийся под действием космических лучей из атмосферного азота, который присутствует в атмосфере в следовых количествах и период полураспада которого составляет около пяти с половиной тысяч лет.

Живой организм может получать изотоп ¹⁴С только извне, при дыхании и потреблении растительной и животной пищи. После смерти обмен с биосферой у организма прекращается, а накопленные при жизни атомы ¹⁴С постепенно распадаются. Благодаря тому, что соотношение стабильного и радиоактивного углерода со временем меняется, по его значению можно установить возраст археологической находки или датировать захоронение. Такой метод называется радиоуглеродным анализом, пояснили в НГУ.

Сегодня в мире лабораторий, которые могут качественно провести столь тонкие измерения с помощью высокоточного ускорительного масс-спектрометра, больше полутора сотен. Из них только несколько умеют определять содержание других редких изотопов, например бериллия-10. Это связано с трудоемкостью обслуживания оборудования и со сложнейшей процедурой подготовки пробы к анализу. Стоимость одного анализа на установление соотношения изотопов легких элементов начинается от тысячи долларов, рассказали специалисты.

Специалисты НГУ разработали и сконструировали элемент ускорительного масс-спектрометра, который способен "сортировать" изотопы с очень маленькой разницей в массах и при этом точно считать их количество.

«

"Наибольшее распространение метод ускорительной масс-спектрометрии получил в радиоуглеродном датировании археологических объектов. Он позволяет ученым заглянуть до 75 тысяч лет назад. Еще интереснее определять концентрации другого изотопа космического происхождения - ¹⁰Be. Он значительно расширяет временной интервал датирования, доходя до 10 миллионов лет", — рассказал руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории космологии и физики элементарных частиц Физического факультета НГУ Андрей Соколов.

© Фото : пресс-служба НГУ

Старший научный сотрудник лаборатории космологии и физики элементарных частиц Физического факультета НГУ Андрей Соколов около время-проекционной камеры

По его словам, разделение близких по массам изотопов возможно с использованием разницы их импульсов (произведения массы на скорость). Во время-проекционной камере кластеры ионизированных частиц с ядрами разных масс, вылетающие из источника по определенной траектории, отклоняются под воздействием внешнего магнитного и электрического поля. Затем ученые определяют местоположение кластеров однотипных атомов и подсчитывают количество атомов "в штуках".

Поскольку некоторые изотопы, несмотря на разные заряды атомов, обладают почти одинаковой массой, их спектры могут совпадать. Ученые называют это явление изобарным наложением. Для некоторых случаев эту проблему специалистам НГУ также удалось решить.

"Используя полученные экспериментальные результаты и компьютерное моделирование, мы установили, что изобарные ионы бора и бериллия можно эффективно разделять на ускорительном масс-спектрометре с помощью время-проекционной камеры, что обеспечивает датирование в масштабе до 10 миллионов лет. Разработанная методика идентификации изобар найдет применение в датировании геологических объектов", – подчеркнул Соколов.

Он добавил, что в 2023 году время-проекционная камера впервые была установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который в данный момент проходит модернизацию. Камера была успешно протестирована с образцами, содержащими изотоп ¹⁴C, и показала себя работоспособной. Сегодня специалисты работают над первым полностью отечественным ускорительным масс-спектрометром, способным анализировать не только радиоуглерод.

Исследование поддержано Российским научным фондом, а также программой государственной поддержки университетов РФ "Приоритет-2030" национального проекта "Наука и университеты", участником которого является НГУ.