Uno spettrometro di massa con acceleratore è un dispositivo da laboratorio che utilizza una combinazione di magnetismo e alta tensione per misurare gli elementi radioattivi. Sebbene sia stato dimostrato per la prima volta negli anni ‘1930, l’uso di acceleratori combinati con la spettrometria di massa non è diventato comune fino agli anni ‘1970. La spettrometria di massa è la misurazione della massa di una molecola o di un atomo separando diversi atomi in base al loro peso o massa utilizzando campi magnetici.
L’archeologia, lo studio delle civiltà antiche, ha utilizzato la presenza di materiali radioattivi, principalmente carbonio, fin dall’inizio del XX secolo. Uno scienziato potrebbe prelevare un campione da un sito archeologico, misurare la quantità di carbonio-20 radioattivo presente nel campione e stimare l’età del campione o del manufatto. Prima dell’uso di uno spettrometro di massa con acceleratore, la misurazione del carbonio-14 richiedeva molto tempo e una grande quantità di materiale. La scienza dell’uso del carbonio radioattivo per determinare l’età di antichi manufatti è nota come “datatura al carbonio”.
Ci sono diverse sezioni in uno spettrometro di massa con acceleratore, ma l’attrezzatura principale è un separatore magnetico e un acceleratore tandem. La prima parte dell’unità utilizza un separatore magnetico a bassa potenza per rimuovere particelle o molecole indesiderate dal flusso del campione. Quindi il campione entra nell’acceleratore tandem, che prima accelera le particelle attirando la particella carica negativa con una carica elettrica positiva ad alta energia, superiore a milioni di volt.
Le particelle accelerate passano quindi attraverso uno stripper di elettroni, che è uno strato molto sottile di carbonio o un gas specifico. Gli elettroni vengono rimossi dalla particella, risultando in uno ione caricato positivamente. Gli ioni vengono ora nuovamente accelerati, perché vengono respinti dall’elevata carica positiva dell’acceleratore. Ecco perché questa parte del dispositivo è chiamata acceleratore tandem, perché colpisce due volte gli ioni sfruttando gli effetti di attrazione e repulsione dovuti alla carica elettrica.
Una volta che gli ioni ad alta velocità lasciano la sezione tandem, il resto dello spettrometro di massa dell’acceleratore è costituito da magneti aggiuntivi che possono dirigere il flusso del campione verso un rivelatore che conta il numero di particelle che lo raggiungono. Ogni sezione dello spettrometro è collegata a computer in grado di regolare la forza elettrica e magnetica per controllare il flusso del prodotto. I rivelatori sono estremamente sensibili e possono rilevare uno ione radioattivo su molti milioni di ioni non radioattivi.
Insieme al suo uso in archeologia e geologia, uno spettrometro di massa con acceleratore può essere utilizzato nei test diagnostici medici. Un elemento radioattivo, chiamato tracciante, può essere iniettato in un paziente o incluso in piccole quantità in un farmaco assunto dal paziente. Mentre il corpo assorbe il farmaco, l’elemento tracciante può essere visto utilizzando campioni introdotti in uno spettrometro di massa con acceleratore. La capacità dello spettrometro di vedere quantità molto piccole di un elemento radioattivo rende la tecnica preziosa, perché il paziente vede livelli molto bassi di radioattività che non si ritiene possano causare problemi di salute.