La Unidad de AMS del Centro Nacional de Aceleradores se origina en septiembre de 2005 con la llegada del sistema de Espectrometría de Masas con Aceleradores (AMS) adquirido a la empresa holandesa High Voltage Engineering Europe. De este modo se convierte en la única instalación de AMS en España.
La espectrometría de masas con aceleradores es una técnica nuclear destinada a la detección de radionúclidos muy poco abundantes en la naturaleza. En concreto, se aplica a aquellos isótopos que son muy difíciles de detectar mediante técnicas radiométricas debido a que tienen una semivida muy grande. En AMS no se detecta la radiación que emiten estos isótopos sino la señal que ellos mismos producen en un detector nuclear después de haber sido seleccionados mediante campos eléctricos y magnéticos.
La presencia de un acelerador de partículas tipo tándem permite aumentar sensiblemente la energía de los iones hasta valores en el orden del MeV/uma. De este modo es posible utilizar propiedades nucleares para discriminar unos isótopos de otros. Además, en el stripper del acelerador se produce la rotura de las moléculas de la misma masa que el isótopo de interés, lo cual permite reducir aún más las interferencias. Estas cuestiones hacen que AMS posea una mayor sensibilidad que cualquier otra técnica de detección de radionúclidos, lo cual la hace eficaz en multitud de problemas científicos imposibles de abordar de otro modo.
Los núcleos que se pueden detectar mediante AMS son variados. En el caso de la instalación del CNA, el sistema, basado en un Acelerador Tándem de 1 MV, se diseñó originalmente para la medida de 10Be, 14C, 26Al, 129I e isótopos de Pu. En los últimos años, las líneas más activas se han centrado en los análisis de muestras para la detección de 14C, 26Al, 129I e isótopos de Pu, aunque se han comenzado las pruebas para estudiar la capacidad del equipo para la detección de nuevos radioisótopos como el 41Ca y el 36Cl.
La técnica de Espectrometría de Masas con Aceleradores (AMS, del inglés Accelerator Mass Spectrometry) es una técnica ultrasensible que combina las técnicas de espectrometría de masas convencionales con un acelerador de partículas que permite dotar a las partículas de energías muy superiores a las habituales. Su aplicación fundamental es la detección de isótopos radiactivos de semivida muy larga y con muy escasa presencia en la naturaleza.
En las técnicas de espectrometría, de masas se analizan los componentes de un haz en virtud de su masa, energía y estado de carga, con la idea de cuantificar un tipo de partícula determinada, caracterizada por una masa específica. Para ello se utilizan diferentes filtros cinemáticos, basados en la aplicación de campos eléctricos y magnéticos y el comportamiento de las partículas cargadas en el seno de los mismos.
La sensibilidad está sin embargo limitada por la presencia de partículas con las mismas características cinemáticas que la partícula de interés, como por ejemplo moléculas de igual masa o isobaros.
En AMS, se obtienen resultados mucho más sensibles debido a sus características más definitorias:
Gracias a estos factores, con AMS se consiguen medidas extremadamente sensibles, varios órdenes de magnitud por encima de las técnicas espectrométricas de masas convencionales. Típicamente, las relaciones isotópicas determinadas mediante AMS (isótopo radiactivo/isótopo estable) están entre 10-12-10-15, es decir, la técnica es capaz de identificar una partícula entre mil billones. Los isótopos que habitualmente se determinan mediante AMS son, entre otros, 10Be, 14C, 26Al, 36Cl, 41Ca, 129I e isótopos de Pu.
Como se sabe, es posible estudiar la edad de muestras de interés arqueológico, artístico, histórico, etc, mediante la medida de su contenido en 14C, radioisótopo que se produce en la naturaleza y que es un isótopo del carbono, por lo que tiene su mismo comportamiento químico.
Asociado al Acelerador MiCaDaS existe un Servicio de Datación por Radiocarbono (14C). En este servicio se incluye un completo laboratorio de preparación de muestras, siendo el primero de su naturaleza en España. Existen en España laboratorios de datación por 14C, pero que usan el método tradicional radiométrico, es decir, con detectores de radiación. Por razones científicas la técnica tradicional de datación por 14C es altamente destructiva (necesita gramos de carbón para datar), consume mucho tiempo de trabajo (al menos se necesitan varias horas por muestra) y es poco productiva (por las razones anteriores).
El uso de un Espectrómetro de Masas con Acelerador (AMS) permite:
Se ha puesto en marcha un sistema de preparación automática de las muestras de carbonato, lo que permite realizarlas de una forma más sencilla y rápida, y utilizando la misma línea de grafitización que las muestras orgánicas, lo que permite una comparación más razonable.
De este modo, el servicio de radiocarbono cuenta con una importante infraestructura: el sistema de medida de C-14 Micadas (Mini CArbon DAting System), una línea de grafitización para reducir CO2 a grafito, un Analizador Elemental para generar CO2 a partir de muestras orgánicas y el sistema comentado para generar CO2 a partir de muestras de carbonato. Existe la posibilidad de preparar incluso muestras de carbonatos disueltos en agua en esta línea.
Para la medida de muestras de radiocarbono mediante AMS en el CNA se necesitan muestras sólidas de grafito. Las muestras en el laboratorio se limpian, y es necesario extraer el carbono intrínseco a ellas para transformarlo en este material. De forma general, este carbono se extrae en forma de CO2 y es reducido a grafito mediante un sistema de grafitización.
El sistema automático AGE (Automatic Graphitization Equipment) está directamente conectado a un analizador elemental (EA), y se ha diseñado para preparar muestras de forma eficiente y rápida para su posterior medida por AMS.
Tradicionalmente se ha usado el transporte criogénico del CO2 generado en la combustión de la muestra hasta los reactores mediante el uso de nitrógeno líquido. En AGE se utiliza una columna rellena de zeolita para atrapar el CO2 proveniente de la combustión de la muestra en el EA. Después, el CO2 se libera fácilmente por calentamiento de la trampa de zeolita y se transfiere al reactor por expansión gaseosa. Al evitar el uso del nitrógeno líquido el sistema es muy compacto y permite un funcionamiento completamente automatizado de los procesos de combustión y grafitización.
El sistema para la obtención de CO2 a partir de los carbonatos funciona también acoplado al sistema AGE, pero genera el CO2 mediante disolución en ácido en lugar de por combustión. Utiliza un auto muestreador que purga los tubos septum en los que se encuentran las muestras, añade el ácido y transporta el CO2 generado hasta los reactores.
El sistema completo con válvulas, hornos, sensores de presión y temperatura, está controlado por un ordenador. Un programa en LabView recorre todos los pasos necesarios del proceso de preparación de la muestra: acondicionamiento del catalizador, combustión de la muestra, atrapamiento del CO2 y su posterior liberación de la trampa, y finalmente el proceso de grafitización en sí mismo.
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