Beschleuniger-Massenspektrometrie
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Die Beschleuniger-Massenspektrometrie ist eine Form der Massenspektrometrie.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Isotope eines Elementes, die sich ja nur in der Masse ihres Atomkerns unterscheiden, voneinander zu trennen. Die Trennung mit einem Massenspektrometer ist dabei die eleganteste. Sie ist vollständig, aber nur im Mikrogrammbereich durchführbar und zur Analyse von Proben, insbesondere für die Radiokohlenstoffdatierung, ausgezeichnet geeignet. Isotopentrennung durch Massenspektrometrie ist für die großtechnische Gewinnung bestimmter Isotope in Reinform nur bedingt geeignet. Als Ausnahme sei erwähnt: Das Isotop 235U für den Bau der ersten Spaltbombe wurde auf diese Weise hergestellt mit einer Produktionsrate von einigen Milligramm pro Stunde.
Eine Erweiterung dieser Art „Isotopensortiermaschine“ ist die AMS-Methode. AMS steht für Accelerator Mass Spectrometry, auf deutsch Beschleuniger-Massenspektrometrie, und arbeitet mit einem Teilchenbeschleuniger und einem Massenspektrometer. 1977 wurde sie an der Universität Oxford zunächst als Verfeinerung der Radiokohlenstoffdatierung, die bis dahin nur über den radioaktiven Zerfall des Kohlenstoff möglich war, entwickelt.
Die Teilchen der zu analysierenden Probe werden bei den gängigen Apparaturen zunächst verdampft und ionisiert. So können sie im elektrischen Feld eines Beschleunigers dann auf sehr hohe Energien gebracht werden. Der hochenergetische Strahl durchläuft ein Magnetfeld, wobei die einzelnen Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse auf Bahnen mit unterschiedlichem Krümmungsradius abgelenkt werden. Fokusierende elektrostatische und magnetische Elemente – Ionenoptische Linsen – werden eingesetzt, sodass die auf einer (fotografischen) Nachweisplatte auftreffenden Teilchen entsprechend ihrer Masse als parallele Linien aufgereiht sind, deren Vermessung die Berechnung der verschiedenen Isotopenmassen erlaubt. Die Analogie zu einem Lichtspektrum drängt sich auf, deshalb spricht man auch von einem Massenspektrum. Das ursprüngliche Gemisch wird also nach den einzelnen Isotopen des betreffenden chemischen Elements aufgefächert, sofern keine Verunreinigungen durch andere Elemente oder Moleküle vorliegen, die gegebenenfalls vorher chemisch abgetrennt werden müssen. Moderne Massenspektrometer verwenden zum Nachweis der Ionen keine fotographischen Platten sondern Teilchendetektoren.
Mit der AMS-Methode lassen sich alle 14C-Atome (das Radiokarbon) von den übrigen in der Probe enthaltenen Kohlenstoffkernen trennen und ihre Anzahl direkt zählen. Die Methode ergänzt und ersetzt die weniger aufwändige Zählrohrtechnik in den Bereichen, in denen es um besonders alte oder kleine Proben geht, denn es lassen sich praktisch alle in der Probe enthaltenen Radiocarbonkerne nachweisen, im Gegensatz zur indirekten Messung über den radioaktiven Zerfall, der eine wesentlich kleinere Zählrate liefert. Mit dieser verbesserten Technik konnte die Messgenauigkeit erhöht und das maximal mögliche Alter der Probe auf bis zu 100.000 Jahre verdoppelt werden. Außerdem genügt eine viel geringere Probenmenge, die durchaus in der Größenordnung von Milligramm liegen kann.
Da der Massenunterschied zwischen den Isobaren 14N und 14C sehr gering ist, beschleunigt man für die 14C-Messungen in der Regel negative Ionen. Da Stickstoff keine negativen Ionen bildet, kann so ein Hintergrund aus dem überall vorhandenen 14N vermieden werden.
