Kleinere monsters, snellere C-datering

In het Centrum voor Isotopen Onderzoek in Groningen wordt vandaag een geavanceerde versneller-massaspectrometer voor C-datering in gebruik genomen. Bij het apparaat is een kleine tentoonstelling ingericht.

Tentoonstelling: C-14, De toekomst van ons verleden. Centrum voor Isotopen Onderzoek, Nijenborgh 4 (Zernike Complex). Vr + za 10.00-17.00 uur. Toegang en brochure gratis.

Een ruimte ter grootte van een kleine gymzaal met daarin een reusachtig apparaat, gebouwd rond een gevaarte in de vorm van een T. Vanaf vandaag heeft het Centrum voor Isotopen Onderzoek van de Rijksuniversiteit Groningen er officieel een gloednieuw onderzoeksinstrument bij. Met deze ultramoderne 'versneller-massaspectrometer' (AMS afgekort in het engels), is het mogelijk om koolstof-14 ouderdomsbepalingen uit te voeren op 1000 maal zo kleine monsters als met de klassieke C-methode mogelijk is.

Het Groningse Centrum voor Isotopen Onderzoek, een vooraanstaand Europees servicelaboratium waar archeologen en klimaatonderzoekers hun organische monsters voor ouderdomsbepaling naartoe sturen, is het achtste centrum in de wereld dat op een dergelijk gevoelig C-instrument kan bogen. En belangrijker nog, de Groningse AMS is van een nieuwe, verbeterde generatie waarvan er tot dusverre nog maar een exemplaar bestond.

“We kunnen met dit apparaat tot 3000 monsters per jaar dateren,” zegt universitair hoofddocent dr. Hans van der Plicht, trotse eerst verantwoordelijke voor de nieuwe faciliteit. “En dat is aanzienlijk meer dan de 1000 C-dateringen per jaar die we met de conventionele methodiek aankunnen. Bovendien kost een C-meting met de AMS maar enkele uren, waar de klassieke radioactiviteitsmeting twee volle dagen vergt.”

Nobelprijs

De C-dateringsmethode werd eind jaren veertig ontwikkeld door de Amerikaanse chemicus Willard F. Libby, die hiervoor in 1960 de Nobelprijs ontving. De methode is gebaseerd op het radioactief verval van de zeldzame koolstofisotoop C, met een halfwaardetijd van 5.730 jaar. Koolstof-14 wordt hoog in de atmosfeer gevormd uit een kernreactie van stikstof en neutronen uit de kosmische straling. Door planten wordt het als radioactief koolzuur opgenomen en in de weefsels ingebouwd. Via de planten komt het vervolgens ook terecht in dieren en mensen. Na de dood stopt de opname van C en begint het gehalte aan het isotoop langzaam maar zeker af te nemen volgens een exponentiele vervalcurve.

Dit maakt de datering mogelijk van materiaal van organische oorsprong, zoals veenlijken, hout en andere archeologische vondsten. Is het C-gehalte in een monster de helft van dat in levende planten, dan bedraagt de ouderdom 5.730 jaar; is het gehalte nog maar een kwart, dan bedraagt de ouderdom tweemaal de halfwaardetijd. Op deze wijze kan, met nog enkele kleine verfijningen, uit elk C-getal een ouderdom worden uitgerekend, met een goede betrouwbaarheid zolang de ouderdom niet hoger is dan 50.000 jaar.

De klassieke methode die voor de C-bepaling wordt gebruikt, is de radiometrische: directe meting van de hoeveelheid radioactiviteit die vrijkomt uit het C. Voor deze methode, die in Groningen ook in de toekomst nog naast de nieuwe AMS zal blijven worden gebruikt, is het noodzakelijk om uit de organische monsters eerst alle koolstof chemisch te zuiveren. Het C-gehalte kan vervolgens worden bepaald met behulp van hooggevoelige telbuizen, die door blokken ijzer en lood van de achtergrondstraling zijn afgeschermd. Van der Plicht: “Zo'n opstelling is niet groot zoals u ziet, maar wel zwaar: de onze weegt zestig ton en rust dan ook op vier speciale heipalen.”

Modern weefsel

Een nadeel van de radiometrische methode is dat hij lang duurt en verhoudingsgewijs grote monsters vergt. Dat komt doordat C een uiterst zeldzame koolstofisotoop is: zelfs in 'modern' weefsel is slechts 1 op de 10 koolstofatomen C. Alleen een langdurige meting (van doorgaans 2 etmalen) aan een groot monster (van minimaal 1 gram koolstof) geeft voldoende signaal voor een nauwkeurige bepaling.

De ongeveer 15 jaar geleden ontwikkelde AMS-techniek heeft als grote voordeel dat men met 1000 maal zo kleine monsters (in de orde van milligrammen in plaats van grammen) toe kan. Dat maakt het mogelijk om zeer zeldzame of kostbare archeologische voorwerpen vrijwel zonder materiaalverlies te dateren. Zo werd het 'meisje van Yde', het Drentse veenlijkje waarvan onlangs het gezichtje is gereconstrueerd, met behulp van de AMS-methode gedateerd aan de hand van een minieme hoeveelheid materiaal. Hetzelfde geldt voor de gletsjermummie die enkele jaren geleden in het Tiroler hooggebergte werd gevonden.

Registreert de klassieke radiometrische methode slechts het (geringe) aantal C atomen dat bij toeval tijdens de meting vervalt, de AMS meet de totale hoeveelheid in het monster. Dat gebeurt door de C op massa te scheiden met behulp van een massaspectrometer. C is zwaarder dan de andere natuurlijk voorkomende isotopen C (99%) en C (1%). Door de atomen te ioniseren, te versnellen en vervolgens in een magnetisch veld af te buigen kunnen de drie soorten isotopen van elkaar worden gescheiden. De zwaardere C-atomen worden minder steil afgebogen dan de lichtere C- en C-atomen en kunnen daardoor apart worden gedetecteerd. Met behulp van de computer kan vervolgens zeer precies de ratio tussen de isotopen worden berekend.

De Groningse AMS bevat in het midden een versneller met een hoogspanning van 2,5 miljoen volt die de geioniseerde koolstofatomen versnelt tot in totaal 10 Mega-elektronvolt (MeV). De positieve hoogspanning wordt voor de versnelling twee maal gebruikt, doordat de aanvankelijke C-ionen halverwege worden 'gestript', dat wil zeggen worden omgezet in C-ionen. Hierdoor worden ze in het eerste deel van de buis versneld tot 2,5 MeV en krijgen ze in het tweede deel nog eens een extra 'slinger' van 7,5 MeV.

Gebruiksefficiency

De AMS-techniek bevat geavanceerde trucs om verstoringen door andere moleculen met dezelfde massa (de voornaamste lastpakken zijn N, CH en CH) tegen te gaan en om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken. Registratie en verwerking van de gegevens door de computer zorgen voor een hoge gebruiksefficiency, waardoor in principe 24 uur per dag kan worden gemeten.

Het Groningse apparaat, dat volgens Amerikaans ontwerp is gebouwd door de Nederlandse firma High Voltage Engineering in Amersfoort, kostte 4,5 miljoen gulden.

Het instrument van de RU Groningen is de tweede uit een nieuwe, superieure generatie. Van der Plicht: “In de 15 jaar oude AMS in Oxford worden de verschillende koolstofisotopen nog afzonderlijk na elkaar de versneller ingelaten, met als gevolg dat je niet 100% bent of de metingen niet woren beinvloed door kleine schommelingen in de hoogspanning. In ons apparaat versnellen we de isotopen gelijktijdig en hebben we van dat probleem geen last.”

De nieuwe meetfaciliteit is tot en met zaterdag door het publiek te bezichtigen, samen met een kleine tentoonstelling waarin het principe van C-datering, de ijking aan de hand van boomjaarringen en diverse toepassingen (van archeologie tot oceanografie en atmosferisch onderzoek) worden uiteengezet. Daarna zal het apparaat vrijwel continu in bedrijf zijn, zowel voor wetenschappelijk onderzoek aan de methode zelf als voor de ouderdomsbepaling van monsters uit binnen- en buitenland.