名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXVI , 20l 5.03

近年の 14 CAMS 進歩の概要

Outlineofrecentadvances 匝 14CAMS
南雅代 1・M踊ayoM泊a皿i 1 ・1

名古屋大学年代測定総合研究センター

1CenterforChronologica1Research, NagoyaUniv町sity， Chikusa, Nagoya464-8602 , Jap岨・*Correspondenceautho.Er‑mail:minami@nendai.nagoya-u.ac必AbstractAMS(acceleratorm田s spectrometry)isanefficientan
da回目a旬 wayωmeasure 由e 1
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50 MV, e.
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compact‑AMS(CAMS)w
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5MV , single‑stageAMS(SSAMS)w地 0.25 MV，阻d M
iniC
arbonDati且ES
ystem(MICADAS)wi吐1 0.
20MV , a1low
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frecentadvanc明白 14CAMS.

町田町四国旬 of

Keywords:14CAMS;・ compact AMS;gasionsource;automate
dsamplepreparation1.

はじめに現在、世界中で AMS 装置導入ブームとも言うべき状況になっている。日本においても然りである。これは、ひとえに、 AMS 装置の小型化が実現したことに起因すると考えられる。本稿においては、 AMS 装置の小型化の流れを簡単にまとめ、 14C AMS 進歩の概要を述べたい。なお、 AMS 装置の発展の歴史と世界での設置状況については、中村 (2013) を参考にした。

2. AMS 装置の小型化
AMS 装置の小型化の歴史の概略を簡単に図 1 に示す。

1977 年に、カナダ McMaster 大学および米国 Rochester 大学においてはじめて 14 CAMS 測定が行なわれてから、原子物理学実験用のタンデム加速器(加速電圧 6ー 10 MV) を改造した AMS 装置によって 14C測定が行なわれるようになった (Nelson etal. , 1
997;Bennettetal. , 1977) 。その後、 1980 年に入り、 AMS 専用の小型タンデム加速器(加速電圧 2-3 MV) の開発が進み、 1980 年に米国Arizona 大学、 1981 年に名古屋大学(第 1 号機)、 1982 年にカナダ Toronto 大学、イギリス Oxford 大学に第 1 世代の AMS 装置が導入され、 14 CAMS 測定が広がってきた o その後、 1990 年に入るとオランダの High Vol回ge Engine町ing Europe(HVEE)社により 14C 測定専用の Re∞mbinator( 同時入射系)を備えた第 2 世代の高性能改良型タンデトロ
ン 3MVAMS が開発され、 1992 年にオランダGroningen 大学、 1994 年にドイツ Kiel 大学、 1996 年に名古屋大学(第 2 号機)、 1998 年に韓国 So叫大学、 2001 年にイギリス Oxford 大学などに導入された。一方、
Recombinator システムと共に Bouncer システム(逐次入射系)も備えた 3 MVAMS 装置が 1997 年に原研− 55 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXVI , 2015.
03

むつ事業所に、 Bouncer システムに高エネルギービームラインも備えた AMS 装置が 2000 年にイタリア

Salento (Lecce)大学、 2004 年にイタリア 1stituto NazionalediFisicaNuc1eare (INFN) に導入されている(Kleinetal. , 2004) 。現在は Recombinator システムは Bouncer システムに取って代わられ、シングルビームラインで 14C 、 10Be 、 26Al、 1291 の他、 41Ca、 236U、 actinides 、 137Cs など多核種の測定が可能になり、 2004 年に中国 Xi'an、 2012 年にカナダ Ottawa 大学に 3 MVAMS 装置が導入されている。さらに、加速電圧 lMVの開発が進み (Klein etal. , 2006) 、 3 MV と同精度の測定が可能になりつつある。 Bouncer システムの 1MVAMS は、 2005 年にスペイン Sevi11a 大学、 2007 年に大韓民国地質鉱物資源調査研究所 (KIGAM) 、2010 年代に入ると、オランダ The Nether
1andsOrganization(TNO)Zeist、ノルウェーNorwegian UniversityciencesofUkraine 、ルーマニア NationalofScienceandTechnology、ウクライナ National AcademyofS
1nstituteofPhysicsandNuc1earEngineering、スペイン Vigo 大学、国立台湾大学、メキシコ大学に続々と 9台導入された。 2013 年にデ、ンマークに導入された lMV 装置は、固体グラファイト、 CO 2 ガス、両者のイオン化が可能な 2 つのイオン源を持ち、高分解能・高アクセプタンスの 1200

マグ、ネット、 AroHe のデ、ュアルガス

S仕ipper システム、さらに最大の特徴は、高エネルギー側の Spherical Elec仕'Ostatic Analyzer(ESA)での散乱イオンを除去するため、検出器との聞に 300マグネットを有したタンデ、トロン AMS である (Klein etal. ,2014) 。従来の lMV に比べ、 Background が低く、高精度な測定が実現されている。
一方、 HVEE 社とともに AMS を開発してきた米国の National E
1ectrostaticCorporation(NEC)杜は 1990

年前半までは多目的利用の加速電圧の高い(ミ 5 MV)AMS を主としており、日本においても 1975 年に筑波大学(1 2 MV;2011 年の東日本大震災で、シャットダウンのため、 2014 年に 6MV 装置に更新)、 1994 年に東京大学 (5 MV) 、 1996 年に国立環境研究所 (5 MV) と原研東濃地科学センター (5 MV) に設置されている。ところが、 1990 年後半になると小型化に目を向け、スイスの ETH (EidgenssischeTechnischeHochschuleZürich)IPS1 や英国 Oxford 大学と積極的に共同研究を推進し、 2000 年に入って加速電圧 0.5MV の Compact AMS システム (CAMS) を実現した。この CAMS 装置は、小型で安価であるにもかかわらず、従来の 2-6 M V AMS 装置と同等のパフォーマンス (Background: 14C/12C= 1‑6x10- 15 、 Precision:0.3-0.5% 、 Transmission: 40-50%) が実現されていたため (S戸lal etal. , 2000) 、 AMS 利用者の注目を集め、世界中に爆発的に普及した。現在は、さらに改良が進められ、性能が良くなっている(表1)。

14C4+ 一一-+ 14C
3+多 1 4C2+ 一一一歩 14C+2.
6m
5π1

3.
4m
AMS 専用の小型タンデム加速器の聞主力|日速電圧(3MV ) 4億 円 )1990 年~
原子核物理学実験用のタンデム加速器を改造

lonp
lusMICADAS(MlnlCarbonDatingSystem)

lon
plus

Vo
lt
age:
Energy:Length:Costs:

2.
0m

2005 年頃から14C 測定においては0.
5MV が主流に1980 年~
図 1 14CAMS 装置の小型化

図中の写真は、 ETH/P SI (h句 ://www.ams抽.ch/ams/ins飢unents) 、ならびに NEC 社のウェブページの図を使用した− 56 −

1 . 8億 円

現在名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXVI , 20l 5.03

これまでに世界中で CAMS が 20 台近く設置されており、そのうち日本が、 2004 年にパレオ・ラボ(株)、2005 年に加速器分析研究所(株)、 2010 年に山形大学、 2013 年に国立環境研究所に、 2015 年に東京大学総合博物館と 5 台も占めている。また、最近、 CAMS 装置での多核種測定の開発も進められ l "Be、 26 A1

測定が可能な XCAMS がニュージーランド GNS 研究所に、また 12'1測定が可能な CAMS が米国 I也ho国立研究所に導入されている。

一方、 0.5MV よりも低い加速電圧での 14 C 測定の開発が Synal etal.(2000)のコンセプトをもとに行われ、14C 測定専用の加速電圧 0.25 MV のシングルステージ AMS(SSAMS) が開発された。この SSAMS は、CAMS に比べて性能は多少劣るものの (Backgrou且d: 14‑4X 10- 15 、 Precision: 0.3%、 Transmission:CPC=235-40%) 、超小型であること、安価であること、扱いやすいことなどから、 CAMS にも増して世界中に普及し、2004 年にスウェーデン Lund 大学に導入されたのをはじめとして、米国に 8 台など、現在までに世界に 13台設置され、日本においては、東京大学大気海洋研究所に 2013 年に導入されている。

その他、 2007 年に、スイス E百f/PSI が加速電圧 0.2 MV の超小型 14 C 測定専用 AMS 装置 MICADAS(MIniCarbonDAtingSystem) を開発した (Syna1 etal. , 2007;Syna1 阻d Wacker, 2010;Syna1， 2013) 。このMICADAS は、小型、安価でありながら、高精度 14C 測定が可能であり、その上、高性能な gas interfacesystem (GIS)が装備されているため、ガラス管に封入した CO 2 、炭酸塩をリン酸分解して発生した CO 2 など、グラファイト作成しなくても CO 2 ガスを直接 AMS に導入して 14 C 測定が可能である。 ETH/PSI のイオンビー
ム物理研究室は、 2013 年 Ionp1us 杜を立ち上げ、 MICADAS を商業ベースに乗せ、米国、ベルギー、ドイツ、スペインなどにすでに B 台導入されている。 Ionplus 社は、 MICADAS の他にも、自動グラファイト化装置、自動炭酸塩ハンドリング装置、 Fe 粉自動量り取り装置など、 14C AMS 利用者の要望に沿った優れた製品を世界に送り出している。
このように AMS の小型化が実現したのは、 14C +での測定が可能になったからである。従来、高精度な 14 C測定を行なうためには CHーや CH 2ーなどの妨害となる同重分子を壊す必要があり、そのためには高い加速電圧でイオンを加速する必要があるとされてきた。したがって、 14 CAMS 測定は 14C4+(加速電圧 5-9MV) 、あるいは 14C3+ (加速電圧 2-3 MV) で行なうのが常識であったが、 14C+の場合でも Stripper gas との衝突で妨害となる岡重分子を壊すことが可能になり (e.g. ， L田 et al. , 1
984;Suteretal. , 2000) 、 1MV 以下の AMS でも、高精度な 14C 測定が実現することとなった。近年、加速部を真空にし、 S 凶lpper gas をArから He にすることにより、分子を効率的に破壊し、 0.045 MV という低い加速電圧で 14C 測定が実現されつつある (SynaIetal. , 2013) 。表 1 に、小型 AMS の性能比較を示す。小型 AMS でも、 14C Background が低く (>50，000 BP) 、高精度な 14C 測定が実現されていることがわかる。現在の開発の方向性は、小型 AMS を用いて 14C 以外の核種の高精度測定を実現することであり、例えば、米国 Lawrence Li
vermoreNationalLaboratory では、l"Be、 26A l 測定の開発を進めている。
表 1 小型 AMS 装置の性能比較

NECCAMS

NECSSAMS

HVEE

Ionplus
MICADAS

VoltageTypernsulation0.5MV
PelletronSF60.25MV
Singles阻.ge
Air

IMVTandetronSFS剖pp町 g剖

ArArArTransmission%
15Backgroundl
O‑
Precision%

‑
5020.
335‑
402.
50.
3
14C

353(1)*

0.2MV
PowersupplyVacuum
He
47
20.
3
14CIsot(司pes

14
CeOBe，却'Al， 12'可)*括弧内の値は、 low background タイプの装置の値− 57 −,0.5(0.3) 本

1血4CuI(tiIE-eBleem， 2e6AntIs)

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXVI , 2015.
0314C 測定のために必要とする加速電圧が低くなってきた歴史を、 1977 年における 8.0 MV を基準として、

図 2 に示した。実線は最先端の技術レベル、点線は汎用機を用いてルーチン測定で達成可能なレベルを示している。 S仕ipper gas との衝突で妨害となる同重分子を壊すことにより1+、あるいは 2+でも高精度 14C 測定が可能になった 2000 年頃、 He s出pping が実現し-色N百(‑BiO1LEロa〉ム、』

3

た 2010 年頃が鍵となり、劇的に加速電圧が低くなっロ3ている様子がかわる。このまま技術開発が進むと、EEA01012020 年には最先端レベルで加速電圧 20 KV 程度、ルーチンレベルで、加速電圧 200 KV での 14C 測定が0.
0011970

実現するかもしれない。加速電圧 20KV であれば、1980

加速器とは言えず、普通の質量分析計のような存在

20102020

図 2 14C 測定に必要とする加速電圧の変遷になっていると思われる。
3.

1990 2000Year(AO)

実線は最先端の実績、点線は汎用機での実績

ガスイオン源の進歩と試料調製の自動化

ガスイオン源の開発も Middleton (1984)をはじめとして行われてきており、現在は、 Al ホルダーに詰めた Ti ペレットに CO 2 を吸着させ Cs スパッタリングさTIpellet

せる Bronk RamseyandHedges(1989)の‘ Hybrid' ガスイオン方式が使われている(図 3) 。このガスイオン源を用いることにより、 CO 2 をグラファイトにする過程、'Hybrid'

ターゲ、ツトに詰める過程を経ずに 14 C 測定が可能に

AIho lderl こTi pelletなる。極微量炭素の場合、グラファイト化が上手く進

サンプル毎に交換必要
ビーム強度弱い

まなかったり、グラファイト化操作の過程で汚染の影

t2C.12‑15~A50 問 C で 5 % の precision

響を受けやすいため、 CO 2 ガスにより直接 14 C 測定

図 3 ‘ Hybrid' ガスイオン方式の模式図する利点は多大であり、ガスイオン源を用いることで、図 4 に示すように、 10μg 以下の炭素量で 14C測定が可能になっている。その一方で、グラファイト
ターゲ、ツトに比べて Background が高く、ビーム強度は 5 分の l 程度、精度も 2% 程度と欠点も持ち合わせている(表 2) 。したがって、古い年代をもっ文化財資料の高精度 14C 年代測定といった目的には適しているとは言えないが、 Background が少々高くても議論に影響しないような試料、例えば、海水や大気エアロゾルなどの環境試料の極微量炭素の分析

表 2 固体グラファイトと CO2 ガスによる 14C 測定の比較ParameterC‑currentlonizationvieldSolidGas

50μA

10μA

(5‑20%)

5‑
10%

片vpica l precision

50 ,000 y0.
1‑
0.
5%

40 ,000 y0.
4‑
2%

Samplesize>100 μÇJC

< 100μ日CL
imi
tofdatinﾇ
Jdetectionには非常に有効であり、 ETHIPSI やウッズホール海洋研究所 NOSAM (NationalOceanSciencesAcceleratorMassSpectrom出y faci1ity)では、 EA や、サンプル自動クラッカーによるガス導入装置を AMS に接続し、ガスイオン源による極微量炭素の 14 C 測定 (e.g. ，Ruffetal. , 2007) が実現されている(図 5)0 MICADAS に EA、自動炭酸塩ハンドリング、装置、 GIS を装備したシステムは、以上のような、これまではごく一部の研究者しかできなかった、極微量炭素の 14C 測定を一般の AMS 利用者でも可能にしたものであり、環境トレーサーとして 14 C を用いる研究の協力な武器となっている。

− 58 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXVI.2
015.
03また、レーザー照射による CaC0 3 試料の自動 CO 2 化装置を AMS に接続して 14 C 測定を行う試みもなされている Ce.g. ， Wackeretal. , 2013;Danie
1et α1. ， 2013) 。ガスイオン源の開発も活発にされており、例えば、
図 6 に示すように、 RF microwave によってフ。ラズマチャンパー内で CO 2 を解離して C+とし、その後、マグネシウムと反応させて荷電変換をする方法なども研究されている CRoberts etal. , 2013) 。このように、ガスイオン源の開発は発展途上にあると言え、固体イオン源と同等の高精度 14 C 測定が実現される日が近いかもしれない。

1000

100(umE)一U
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E 同凶
一10|\"'+',.ﾌ'.
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" '1 ・、ノ0.
10.
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10.
001
1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

Year(AD)

図 4 14 C 測定に必要とする試料炭素量の変遷
実線はガスイオン源を用いて可能な試料炭

図 5 炭酸塩反応装置、サンプル自動クラッカー、EA を用いたガス導入システム

素量、点線はグラファイトを用いたルーチンの 14C 測定の際に必要な試料炭素量

CO 2 ・ H 2 0

C02c..圃陶画句"...
調M・

図ft図

Ch.r冒・ E混 ch・"lI"Can・』(M・ gn・・ lum Ov制}

Mg

C t.. m同e

11 向州削仰12.
45GHz

0: 出ほcharge‑exchaging
C'(O ・ . C⑬・ . CO ，. )φ 2・r (Mgトー・C" (O'.

C01Robertseta.
l(2013)
図 6 RFmicrowave を用いたガスイオン源の効率化

4 ，まとめ本稿においては、 AMS 装置の発展の歴史を装置の小型化を軸にして簡単にまとめた上で、現在の最先端の 14 CAMS 分析状況について、ガスイオン源の進歩と試料調製の自動化という点からまとめた。今後、さらに 14 C AMS の開発が進み、これまで以上に、幅広い研究分野で、有効なツールになることが期待で、きる。

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謝辞名古屋大学年代測定総合研究センターの中村教授、デンマーク Aarhus 大学の Heinemei町教授、 HVE社のKlein 博士、またKlGAM の Hong 博士からは、 HVE AMS について多くのことを教わりました。ここに記して感謝の意を表します。

引用文献
Benne民 C.L.， Beukens , R.P. , Clover, M.R. , Gove , H.E. , Liebert, R. B., Li也erl阻d， A.E. , Purser, K且 (1977)

Science, 198, 508.
Brouk Ra皿sey， C. , Hedges , R.E.M.(
1989)Radiocarbon, 31 , 298.

1997)NuclearInstn皿.ents 阻dMe血o白血 Physics ResearchB , 123 ,BroukRamsey, C. , Hedg田， R.E.M.(
539.
Daniel, R, Mo問s， M. , Kitch四， R., Sundquist, M. , Hauser, T. , Stodola, M. , Tannenbaum , S., Skipper, P. ,Liberman, R., Young , G. , Corl田s， S. , Tucker, M.(2013)NuclearIns回m四ts andMe由ods inPhys
ics
ResearchB , 294, 291.
Klein, M. , Mous , D.J.W. , Got凶阻g， A.(
2004)Radiocarbon, 46 , 77.
Klein, M.G. , Mous , D.J.W. , Go仕白且g， A.(2006)NuclearIns回皿四.ts 阻d MethodsinPhysicsR国田氏hB ，249 , 764.
Klein, M. , Heinemeier, J. , Go壮da且g， A. , Mous , D.J.W, Olsen, J.(2014)NuclearIns仕um阻ts andMethods 血PhysicsResearchB , 331 , 204.
Lee , H.W. , G a1ino-Uribarri , A. , Chang, K.H. , Lilius , L.R., Li血町'land， A.E.(
1984)NuclearInstrumentsandMethodsi
nPhysicsResearchB , 5 , 208.
Middle旬n， R.(
1984)NuclearIns加血四.ts andMethods , 220 , 105.

中村俊夫 (2013)号外地球， 62， 178.

Nelson, D.E. , Korteling , R.G. , Sto仕， W.R.(1977)Science, 198 , 507
Rob町抱， M. L., v
onReden , K.F. , Burton, J.R. , Mclntype , C.P. , Beaupre, S.
R.(2013)NuclearIns甘u血血胞 andMethodsinPhysicsResearchB , 294, 296.
Ruff, M. , Wacker, L., Gaggeler, H.W. , Suter, M. , Synal, H.A. , Szidat, S.(2007)Radiocarbon, 52, 1645.
.
‑A.(2000)NuclearIns町ments 阻d MethodsinPhysicsResearchB , 172,Suter, M. , Ja∞b， S.W.A., Syna1, H
144.
S戸al， H.-A. , J田ob， S. , Su旬r， M.(
2000)NuclearInstruments 阻dMe血ods 血 Physics ResearchB , 172, 1.
S戸al， H.-A. , Stocker, M. , Su旬r， M.(2007)NuclearIns回mentsandMe血ods 血 Physics ResearchB , 259 , 7.

Syna1, H.-A , Wacker , L.(2010)NuclearIns仕uments andMe也ods inPhysicsResearchB , 268 , 701.
Wacker, L., Munsterer, C. , Hattendorf, B. , Christl, M. , Gun也.er， M. , Synal, H.
‑A.(2013) Nu
c1ear
Instru皿ents 岨d M
ethodsinPhysicsResearchB , 294, 287

日本語要旨

加速器質量分析 (AMS) は試料中の 14 C 濃度を高精度・高確度に測定するための有効な手段である。ここ 10 年の聞に、これまでの巨大で入手も経費もかかる加速器に代わり、小型で、利用者が使いやすく、安価な AMS が開発され、世界中に広く普及してきた。現在では、 0 .50 MV 以下の加速電圧の小型 AMS システム(例えば、 0.50 MV の CAMS 、 0.25 MV の SSAMS、 0.20 MV の MICADAS) により、低し、パックグラウンドで高精度な 14C 測定が可能となっているロまた、ガスイオン源の開発も進み、直接、試料 CO 2 ガスをAMS に導入して数 100μg の炭素量で 14C 測定が可能となっている。自動試料調製システムの開発も行なわれ、試料調製系をガスイオン源に GIS を用いて接続し、試料調製の迅速化、簡便化が実現している。

− 60 −