ウィーン大学： 放射性同位元素分析における桁違いの改善効果

課題

環境科学、地質学、宇宙物理学（隕石）、考古学などの多くの分野では、試料の年代、出所、その他の歴史的痕跡を決定するために、半減期の長い放射性核種を使用します。 ここでいう同位体比とは、 放射性同位元素の濃度と同じ元素の安定同位元素の濃度を比較したものです。 最も有名なのは炭素14（¹⁴C）で、「炭素年代測定」に広く利用されています。残念ながら、これらの有用な放射性マーカーは、通常、極めて低濃度でしか存在しません。 その超低濃度を測定する最も高感度な方法は加速器質量分析法（AMS）と呼ばれ、時にはアトモル単位の感度に達することもあります。 また、放射線検出による代替方法と比較して、数ミリグラムの試料で済みます。 しかし、AMSの大きな限界は、一部のターゲット核種のシグナルを完全に圧倒してしまう不要な同重体の存在です。

AMSは、最初に負に、次に正に帯電したイオンの加速（最大数MeV）ビームを生成するように設計された多段階プロセスです。強磁場による偏向で複数回識別するもので、偏向は質量/電荷（m/q）比に依存します。 加速器の上流では、まず試料を照射して負イオン（陰イオン）のビームを生成し、m/q分析後に加速器に入射させ、ストリッパーと呼ばれる装置で正イオン（陽イオン）へと変換し、同じ装置で¹⁴C-および¹²CH₂など、ターゲット核種と同じm/q比を持つ可能性のある小さな分子イオンも排除しています。 その後、陽イオンはさらに加速され、再びm/q比に従って選別されます。 しかし、多くの放射性同位元素には、同重体の問題が残っています。 おおよそ同じ質量を持つ異なる元素の同位体の数が、目的の放射性同位体を数桁上回ることがあります（たとえば¹³⁵Csと同重体¹³⁵Ba）。 従来、同重体問題を解決する唯一の方法は、極めて高い電圧（10MV以上）で加速し、イオンレーザをその微小な核電荷の詳細に基づいて選別することでした。 そのため、測定可能な施設は世界でも数カ所、放射性同位元素もほんの一握りにとどまっていました。

ウィーン大学物理学部のマーティン・マーチーニ博士をはじめとする研究チームは、レーザを巧みに利用し、選択的光剥離と組み合わせてAMSを実行するエレガントで強力な代替手段を開発しました。

ソリューション

そのAMSシステムは、ウィーン環境研究加速器（VERA）と呼ばれています。 VERAの同重体バックグラウンドシグナルを効果的に除去する鍵は、同社が近年開発したイオンレーザ相互作用質量分析計（ILIAMS）です。 これは新しいタイプの元素選択フィルターで、この種の装置としては世界で初めてAMS施設で使用されたものです。

ILIAMSは陰イオンステージ（「低エネルギー質量分析計」）で実装され、閾値光剥離によって動作します。 「分子や原子の陰イオンには、余分な電子を光脱離させる閾値となる光子エネルギーがあり、このエネルギーを超える光子を吸収すると、電子が放出され、陰イオンの中和が行われます」とマーチーニ博士は述べています。 「放射性核種を含む陰イオンが、問題の同重体の陰イオンよりもイオン化の閾値が高くなるように、目的の放射性核種ごとに慎重に試料の調製を行います。 そして、同重体イオンレーザの閾値以上、ターゲット核種の閾値未満の光子エネルギーを持つレーザ波長を選択します」。こうしてレーザは、ストリッパーと加速ステージの前にあるイオンビームから問題の同重体を除去します。 理論的には、適切な波長（光子エネルギー）域のどこかにあるレーザがあればよいのです。 そのため、VERAがさまざまな放射性同位元素とその同重体バックグラウンドに基づく研究を行い、測定サービスを提供できるようにするには、複数の異なるレーザ波長のポートフォリオが必要です。

しかし、レーザに求められるのは、単に広い波長域に合わせることだけではありません。 というのも、ILIAMSの課題は、レーザ吸収と光離脱のメカニズムの断面積（確率）が低いことです。 「これを緩和するためには、レーザ強度を高め、レーザと陰イオンの相互作用時間をミリ秒以上に延ばす必要があります」とマーチーニ博士は説明します。「彼らは、陰イオンビームを不活性バッファガス（通常はHe）で満たされた高周波（RF）イオンレーザガイドを通過させることで、後者を達成しました。」 これにより、陰イオンはほとんど熱エネルギーまで減速します。 イオンレーザガイドの長さは1 mで、このイオンレーザガイドの中でレーザビームとアニオンビームが正確にコリニアになるようにすれば、レーザとイオンの相互作用時間は約1 msとなり、効果的に同重体の除去ができます。

VERAのレーザには、355 nmのCoherent AVIA LXと、532 nmで最大20ワットを発生するVerdi 18があります。 マーチーニ博士はこう述べています。「私たちがこのレーザを選んだのには、いくつかの理由があります。 まず、ILIAMSの効果を発揮するために必要な出力を備えていることです。 第二に、円形のTEM₀₀出力ビームを持ち、M²が1.0にかなり近いことです。 真空システムへの入射窓と最後の光学レンズやミラーから3メートル下流にある、1メートルのイオンレーザガイドビームパスの両端にある3ミリの開口部を通してビームを整列させる必要があるため、この高いビーム品質はこの技術において重要です。 そして最後に、とても信頼性が高いということです。 1回のデータ実行に要する時間は1～6時間です。 しかし、私たちは通常、同じ特定の同位体や同重体を対象とした実験を1週間分予定しています。 波長を合わせるたびに、その週は完璧なレーザ性能が必要で、そうでなければスケジュール上の大きな問題が発生します」。

成果

ILIAMSの開発当初は、同重体のバックグラウンドを6～8桁程度まで除去できることを期待していましたが、一部の同重体ではその高い目標を上回る効果を発揮しています。 「顕著な例は硫黄と塩素の分離で、Verdiレーザの532 nm出力を用いて、³⁶Sを³⁶Clに対して11桁も抑制することができました」とマーチーニ博士は述べています。

マーチーニ博士は、ILIAMSのおかげで、より多くの新しい微量同位体が、環境レベルで初めてAMSにアクセスできるようになったと総括しています。 最近では、長寿命核分裂生成物⁹⁰Sr（世界中のどの検出技術よりも感度が高い）などが追加されました。 また、セシウムの放射性同位元素である¹³⁵Csと¹³⁷Csは、以前はターゲットとして悪名高いものであったことも、同博士が挙げた素晴らしい例です。 具体的には、従来のAMSでは、海水などの一部の環境試料から¹³⁵Csや¹³⁷Csイオンを数えることはほぼ不可能でした。なぜなら、同じノミナル質量のバリウム同位体が100万倍（またはそれ以上）存在することがあるからです。 しかしながら、これらは1950年代から1960年代の核実験、最近では福島原発事故により、海や魚に存在する環境上重要な放射性同位元素です。 幸い、ILIAMSのおかげで、超微量でも比較的簡単に測定できるようになりました。

一方、VERAでは、他の放射性同位元素のプロトコルや波長を決定するための探求が絶え間なく続いています。 マーチーニ博士は、将来に向けて、ILIAMSチームは現在、天体物理学的に興味深い¹⁸²Hfを追加するために懸命に取り組んでいると述べています。

レーザは古くから、試料の組成や相、温度などを調べる分析用途に使われてきました。 しかし、ILIAMSの革新的な手法により、ウィーン大学の科学者と世界中の共同研究者は、レーザを使ってあらゆる種類のサンプルの詳細な歴史を以前にもまして調査することができるようになりました。 

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