Was ist ein Beschleuniger-Massenspektrometer?
Ein Beschleuniger-Massenspektrometer ist ein Laborgerät, das eine Kombination aus Magnetismus und Hochspannung zur Messung radioaktiver Elemente verwendet. Der Einsatz von Beschleunigern in Kombination mit Massenspektrometrie wurde zwar erstmals in den 1930er-Jahren demonstriert, war jedoch erst in den 1970er-Jahren üblich. Massenspektrometrie ist die Messung der Masse eines Moleküls oder Atoms durch Trennung verschiedener Atome nach Gewicht oder Masse unter Verwendung von Magnetfeldern.
Die Archäologie, das Studium antiker Zivilisationen, verwendet seit dem frühen 20. Jahrhundert radioaktive Stoffe, vor allem Kohlenstoff. Ein Wissenschaftler könnte eine Probe aus einer archäologischen Fundstätte entnehmen, die Menge an radioaktivem Kohlenstoff-14 in der Probe messen und das Alter der Probe oder des Artefakts abschätzen. Vor der Verwendung eines Beschleuniger-Massenspektrometers war die Messung von Kohlenstoff-14 zeitaufwändig und erforderte eine große Menge an Material. Die Wissenschaft der Verwendung von radioaktivem Kohlenstoff zur Bestimmung des Alters antiker Artefakte wird als "Kohlenstoffdatierung" bezeichnet.
In einem Beschleuniger-Massenspektrometer gibt es verschiedene Abschnitte, die Hauptausrüstung besteht jedoch aus einem Magnetabscheider und einem Tandem-Beschleuniger. Der erste Teil der Einheit verwendet einen Magnetabscheider mit geringer Leistung, um unerwünschte Partikel oder Moleküle aus dem Probenstrom zu entfernen. Dann tritt die Probe in den Tandembeschleuniger ein, der zuerst die Teilchen beschleunigt, indem er die negativ geladenen Teilchen mit einer positiven elektrischen Ladung hoher Energie von mehr als Millionen Volt anzieht.
Die beschleunigten Partikel passieren dann einen Elektronenstripper, bei dem es sich entweder um eine sehr dünne Kohlenstoffschicht oder um ein bestimmtes Gas handelt. Elektronen werden aus dem Teilchen entfernt, was zu einem positiv geladenen Ion führt. Die Ionen werden nun wieder beschleunigt, weil sie durch die hohe positive Ladung des Beschleunigers abgestoßen werden. Aus diesem Grund wird dieser Teil des Geräts als Tandembeschleuniger bezeichnet, da er die Ionen durch die Wirkung von Anziehung und Abstoßung aufgrund der elektrischen Ladung zweimal beeinflusst.
Sobald die Hochgeschwindigkeitsionen den Tandemabschnitt verlassen, besteht der Rest des Beschleunigermassenspektrometers aus zusätzlichen Magneten, die den Probenstrom zu einem Detektor leiten können, der die Anzahl der Partikel zählt, die ihn erreichen. Jeder Abschnitt des Spektrometers ist mit Computern verbunden, die die elektrische und magnetische Stärke einstellen können, um den Produktstrom zu steuern. Die Detektoren sind äußerst empfindlich und können ein radioaktives Ion von vielen Millionen nicht radioaktiver Ionen erfassen.
Neben seiner Verwendung in der Archäologie und Geologie kann ein Beschleuniger-Massenspektrometer für medizinisch-diagnostische Tests verwendet werden. Ein radioaktives Element, ein so genannter Tracer, kann in einen Patienten injiziert oder in geringen Mengen in ein vom Patienten eingenommenes Medikament aufgenommen werden. Während der Körper das Medikament aufnimmt, kann das Tracer-Element unter Verwendung von Proben gesehen werden, die in ein Beschleuniger-Massenspektrometer eingebracht wurden. Die Fähigkeit des Spektrometers, sehr kleine Mengen eines radioaktiven Elements zu sehen, macht die Technik wertvoll, da der Patient sehr geringe Radioaktivitätsniveaus sieht, von denen nicht angenommen wird, dass sie gesundheitliche Bedenken hervorrufen.