비엔나 대학교: 방사성 동위원소 분석 대폭 개선

과제

환경 과학, 지질학, 천체물리학(운석), 고고학 및 기타 분야의 많은 영역에서 샘플의 나이, 출처 및 기타 역사적 각인을 확인하기 위해 수명이 긴 방사성 동위원소(반감기가 긴 방사성 핵종)를 사용합니다. 성능 평가 지수는 동위 원소 비율입니다. 즉, 동일 원소의 방사성 동위원소와 안정 상태의 동위원소의 농도 비율을 의미합니다. 가장 유명한 것은 "탄소 연대 측정"에 널리 사용되는 탄소-14(¹⁴C)입니다. 안타깝게도 이러한 유용한 방사성 마커는 일반적으로 매우 낮은 농도로만 존재합니다. 초저농도를 측정하는 가장 민감한 방법을 가속기 질량 분석법(AMS)이라고 하며 이 분석법은 오토몰라 감도까지 도달하기도 합니다. AMS는 또한 방사선 검출에 기반한 대체 방법에 비해 몇 밀리그램의 샘플만 필요로 합니다. 그러나 AMS의 주요 한계는 일부 대상 핵종의 신호를 완전히 압도할 수 있는 원치 않는 동중원소의 존재입니다.

AMS는 먼저 음전하되고 이후 양전하되는 이온의 가속된(최대 수 MeV) 빔을 생성하도록 설계된 다단계 프로세스입니다. 이러한 이온은 질량/전하(m/q) 비율에 따라 편향이 결정되는 강력한 자기장을 사용하여 편향에 따라 여러 번 구별됩니다. 가속 업스트림에서는 샘플에 먼저 충격을 가해 m/q 분석에 따라 가속기에 주입되는 음이온(anion) 빔을 생성합니다. 여기에서 음이온은 대상 핵종과 같은 m/q 비율을 가질 수 있는 작은 소형 분자 이온도 제거하는 스트리퍼라고 부르는 기기에서 양이온(cation)으로 변환됩니다(예: ¹⁴C- 및 ¹²CH₂-). 그런 다음 양이온이 추가로 가속되고 해당 m/q 비율에 따라 다시 정렬됩니다. 그러나 많은 방사성 동위원소의 경우 여전히 동중원소의 문제 즉, 관심 방사성 동위원소보다 몇 배 더 많을 수 있는 대략적인 질량이 동일한 다른 원소의 동위원소(예: ¹³⁵Cs 및 동중원소 ¹³⁵Ba) 문제가 있습니다. 동중원소 문제를 해결할 수 있는 기존의 유일한 방법은 10MV 넘는 매우 높은 전압 가속을 사용하여 작은 핵 전하 정보에 따라 이온을 분류하는 것이었습니다. 그 결과 전 세계 일부 시설과 소수의 방사성 동위원소로 측정 기능이 제한되었습니다.

다행스럽게도 비엔나 대학교 물리학과의 Martin Martschini 박사가 포함된 연구팀에서는 선택적 광분리와 함께 AMS를 수행하기 위해 레이저를 영리하게 사용하는 우아하고 강력한 대안이 개발되었습니다.

솔루션

이 연구팀의 AMS 시스템은 VERA(Vienna Environmental Research Accelerator)라고 불립니다. VERA에서 동중원소 배경 신호를 효과적으로 제거하기 위한 핵심은 이 연구팀이 최근에 개발한 ILIAMS(Ion Laser InterAction Mass Spectrometry)입니다. 이것은 새로운 종류의 원소 선택 필터이며 동종 장치 중 AMS 시설과 결합된 세계 최초의 장치입니다.

ILIAMS는 음이온 단계("저에너지 질량 분석기")에서 구현되며 임계 광분리로 작동합니다. Martschini는 다음과 같이 말합니다. "분자 및 원자 음이온은 모두 추가 전자의 광분리를 위해 임계 광자 에너지를 갖고 있으며, 이 에너지 이상의 광자를 흡수하면 전자의 방출, 즉 음이온 중화를 초래합니다. 각각의 관심 방사성 핵종에 대해 샘플의 화학적 준비를 신중하게 설계하여 방사성 핵종을 포함하는 음이온이 문제가 되는 동중원소의 음이온보다 이 이온화에 대해 더 높은 임계값을 갖도록 합니다. 그런 다음 동중원소 이온보다 임계값이 높지만 대상 방사성 핵종보다는 낮은 광자 에너지를 갖는 레이저 파장을 선택합니다." 따라서 레이저가 스트리퍼 및 가속 단계 이전에 이온 빔에서 문제가 되는 동중원소를 제거합니다. 이론적으로 적절한 파장(광자 에너지) 범위에 들어 있는 레이저만 있으면 가능합니다. 따라서 VERA에서 연구를 수행하고 여러 방사성 동위원소와 해당 동중원소 배경을 기반으로 측정 서비스를 제공하기 위해서는 여러 가지 레이저 파장이 포함된 포트폴리오가 필요합니다.

그러나 레이저 요구사항에는 상당히 넓은 파장 범위를 매칭하는 것 이상의 조건이 필요합니다. ILIAMS는 레이저 흡수 및 광 분리 메커니즘의 단면적(확률)이 작다는 문제가 있기 때문입니다. Martschini는 다음과 같이 설명합니다. "이를 해결하기 위해서는 높은 레이저 강도가 필요하고 레이저/음이온 상호 작용 시간을 밀리초 이상으로 확장해야 합니다." 연구팀은 음이온 빔이 불활성 버퍼 가스(일반적으로 He)로 채워진 고주파(RF) 이온 가이드를 통과하도록 함으로써 후자를 달성합니다. 이렇게 하면 음이온이 거의 열에너지 수준으로 느려집니다. 이온 가이드는 길이가 1미터이고 레이저 빔 제공이 이러한 이온 가이드의 음이온 빔과 정확히 동일 선상에 있으며, 레이저/이온 상호 작용 시간은 효과적인 동중원소 제거가 가능한 약 1밀리초입니다.

VERA의 두 가지 레이저는 355nm 수준의 Coherent AVIA LX와 532nm에서 최대 20와트까지 생성하는 Verdi 18입니다. Martschini는 다음과 같이 말합니다. "저희 연구팀은 몇 가지 이유로 이 레이저들을 선택했습니다. 첫째, 이 레이저들은 ILIAMS가 매우 효과적인 수준으로 작동하는 데 필요한 출력을 제공합니다. 둘째, M²가 거의 1.0에 가까운 원형 TEM₀₀ 출력 빔을 갖고 있습니다. 진입 창에서 진공 시스템 및 마지막 광학 렌즈 또는 미러로 3m 아래에 위치한 1m 길이의 이온 가이드 빔 경로의 각 끝에서 3mm 구멍을 통해 빔을 정렬해야 하기 때문에 이러한 높은 빔 품질이 이 기술의 핵심입니다. 마지막으로, 신뢰도가 매우 높습니다. 각 데이터 실행에는 1~6시간이 소요됩니다. 그러나 일반적으로 동일한 특정 동위원소 및 동중원소를 목표로 일주일간 실험을 예약합니다. 파장을 예약할 때마다 일주일 내내 완벽한 레이저 성능이 필요합니다. 그렇지 않으면 심각한 일정 문제에 직면합니다."

결과

ILIAMS가 처음 개발될 때 연구팀은 10의 6승에서 10의 8승까지 동중원소 배경을 제거할 수 있기를 바랐지만 일부 동중원소의 경우 목표보다 훨씬 뛰어난 것으로 입증되었습니다. Martschini는 다음과 같이 말했습니다. “이를 잘 보여주는 예시가 바로 황과 염소의 분리입니다. 이 실험에서는 Verdi 레이저의 532nm 출력을 사용하여 놀라운 10의 11승까지 ³⁶Cl에 대해 ³⁶S를 억제할 수 있습니다.

Martschini는 ILIAMS 덕분에 점점 더 많은 새로운 미량 동위원소들이 환경 수준에서 처음으로 AMS에 접근할 수 있게 되었다고 요약해서 말합니다. 최근에 추가된 항목에는 수명이 긴 핵분열 생성물 ⁹⁰Sr(전 세계에서 모든 검출 기술 중 가장 높은 감도)이 포함됩니다. 그가 인용하는 다른 중요한 예시에는 이전까지 악명 높은 어려운 대상인 세슘 방사성 동위원소 ¹³⁵Cs 및 ¹³⁷Cs가 포함됩니다. 특히 기존의 AMS에서는 동일 공칭 질량의 바륨 동위원소가 백만 배(또는 그 이상) 풍부할 수 있기 때문에 해수와 같은 일부 환경 샘플에서 ¹³⁵Cs 및 ¹³⁷Cs 이온을 계산하는 것이 거의 불가능했습니다. 그러나 이들은 1950년대와 1960년대의 핵 실험과 보다 최근의 후쿠시마 원전 재해로 인해 바다와 어류에 존재하는 환경적으로 중요한 방사성 동위원소입니다. 다행스럽게도 ILIAMS 덕분에 극미량 수준에서도 측정이 비교적 간단해졌습니다.

한편으로, 다른 방사성 동위원소에 대한 프로토콜과 파장을 결정하기 위한 탐구는 VERA에서 계속해서 줄어들지 않고 있습니다. Martschini는 미래를 전망하면서 ILIAMS 팀이 현재 천체 물리학적으로 흥미로운 ¹⁸²Hf를 추가하기 위해 열심히 노력하고 있다고 말합니다.

레이저는 구성, 위상, 온도 등에 따라 샘플을 조사하기 위해 오랫동안 분석 목적으로 사용되었습니다. 그러나 혁신적인 ILIAMS 방법 덕분에 비엔나 대학교의 과학자들과 전 세계 협력자들이 레이저를 사용하여 전례 없이 모든 종류의 샘플에 대한 상세 이력을 조사할 수 있게 되었습니다. 

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