Ouderdomsbepalingenmet behulpvan radioactiviteit berusten op het feit dat de isotopen van bepaalde elementen doorverschillendekernfysischeproces
sen muteren tot isotopen van andere elementen, waarbijde mutatiesnelheid constant is.Wanneerdezesnelheidbe
kendisendeoorspronkelijkeentegen
woordige hoeveelhedenvanradioactief en radiogeen isotoop kunnen worden bepaald, ligt het tijdstip waarop de mutatie van het radioactieve isotoop begon vastvolgensde betrekking:
M, • M0*e_A‘
emissie vervalt tot het stabiele stron-tium-87, meteen halveringstijd van50 x 1U9 jaar. Andere methoden zijn de uranium-lood methoden, de thorium-lood methode ende kalium-argonme
thode,allen met halveringstijdeninde orde van 109of 1010jaar.
In principe komtde dateringsmethode erop neer, dat in een gesteente of mineraal de hoeveelhedenwordenbe
paald van hetradionuclide en van het uit dit nuclide door kernmutatiesont
stane labiele dochterprodukt. Een grootdeelvandezebepalingengebeurt met behulp van een massaspectrome
ter,een apparatuurwaarmeede isoto-pische samenstellingen van elementen worden bepaald. Voorverdere details betreffende de dateringsmethode met behulpvanradionuclidenmogeworden verwezen naarPriem (1970).
nazijonderde invloedkomenvaneen magnetisch veld dat loodrecht op de ionenbundel staat. In dit veldworden de ionenafgebogen.
Na versnelling door een spanning U krijgt een ion een kinetische energie e-Ü. Wanneer we veronderstellen dat debeginenergiekleinist.o.v.de ener-gietoename, dangeldt:
eU = ’/2 mv2 waarin:
m =massa ion
v =snelheidnaversnelling e =ladingvan hetion u =versnellendespanning.
Hieruitblijkt,dationenmetgelijkela
dingnadeversnellingeengelijkeener
gie bezitten. Een magnetischveld met inductieBoefentophetioneenkracht e v-B uit, die loodrecht op de bewe
gingsrichting staat. Het resultaathier
van is,dat hetioneencirkelbaangaat beschrijvenmeteenstraalrvolgensde betrekking:
Hierin is:
M0 het aantal atomenvanhet .,moe-derisotoop”op hettijdstipt =0;
het resterende aantal atomenvan het moederisotoopop t = t;
de vervalsconstante, welke zich verhoudt tot de halveringstijd T volgensde betrekkingX = M0kanwordenberekenduithetaantal radiogene atomen (N) van het ver-valsprodukt op hettijdstip t:
N = M0-M,= M0 - M0-e“A' Hieruit volgt voor de ouderdom t de betrekking
M,
X
Principemassaspectrometer
In de massaspectrometrie wordt ge
bruik gemaakt vandefysischewet dat eenbewegend,elektrischgeladendeel
tje in een magnetisch veld wordt af
gebogen. Wil men van een of ander element de isotopische samenstelling bepalen, dan worden vandat element in het hoogvacuüm van de massaspec
trometer ionen geproduceerd (d.m.v.
verhitting, elektronenbombardement, enz.). Deze ionenworden metbehulp vaneenelektrischveldversneld,
waar-e.B.v = waaruitvolgt r = ,danwel:
eB t = 7,'ln(1 +
Opgrondvan dehalveringstijdenkun
nen de in de natuur voorkomende radioactievenucliden wordenverdeeld in tweegroepen:
1. nucliden waarvan de halveringstijd kortis(<106jaar),vergelekenbijde ouderdom van het zonnestelsel en aarde (4,6miljardjaar);
2. nucliden met relatief lange halve
ringstijd (>10sjaar).
Radionuclidenvandeeerstegroepwor
den voortdurend geproduceerd door kernreactiesonder invloedvan kosmi
schestralingendoordemutatiesvande ledenderuranium-en thorium-verval-reeksen. Deze radionucliden leveren een aantal radioactieve chronometers (o.a. de koolstof-14methode) diege
schiktzijnvoordateringvan„jongere"
objecten, d.w.z.geologischenarcheo
logisch materiaal met een maximale ouderdomin deordevan 105jaar.
Radionucliden van de tweede groep wordenbenutvoordateringvangeolo
gischeobjectenouderdan105jaar.Een typischvoorbeeldhiervan ishet radio
nuclide rubidium-87 dat middels
/3-Uitdezevergelijkingvolgt,datdestraal vande cirkelbaanafhangt van de m/e
Collector
Fig. I. Schemati
sche voorstelling van een massa-spectrometer. Op hetgloeibandje in ionenbron vindt thermische ionisatieplaats.
loncnbron
Onderdrukking /i~t —t~|
sec.elektronen/ | | Bepalende’^’
Gloeiband ipleet D.C.Versterker
de Magneet
-VUS'ISKll tsM_ nimn
Coumis
Fig. 2. Blokschema van de automatisering vanmodelGD-150massaspectrometer.
RADIOELECTRONICA1974No.23 769
U’GMGSPvtS
verhoudingvanhetion;hierdoorishet mogelijk deeltjes met gelijke lading maarverschillendemassa’sineen mas-saspectrometertescheiden. Vande io
nenmetgelijke ladingedieindebron van de massaspectrometer wordenge
produceerd, zullen de lichtere ionen duseenkleinerekromtestraalbeschrij
ven dan de zwaardere. De ionenbun
dels van verschillende massa’s komen derhalvegescheideninhet collectorge-deelteaan(fig. 1). Doordeversnellen
de spanning U te variëren worden bij constant magneetveld achtereenvol
gens de verschillende ionenbundels door de bepalende spleet op de col
lector gebracht, waar ze hun lading afstaan en dus een collectorstroom doenontstaan. Dezestroomvloeitdoor eenweerstanddieindehierbeschreven opstelling 10" Clbedraagt,zodathier
over een spanning ontstaat welke wordttoegevoerdnaareen DC-verster-ker die als impedantie-transformator tussen collector en het meetgedeelte fungeert. De hoevcelheidsverhoudin-gen van de verschillende massa’s (bij
voorbeelddeisotopenvanéénelement) zijnrechtevenredigmetde verhoudin
gen van de waarden der opgewekte spanningen.
•»v-- *oo
t
VI
•
os*---Fig.3a
■aO’
i
UIN OOIV
01V
ClVOCUCHCIOS SVANCXN
Fig.3b Iw
«(«•StU'DCN WO*DlKG
Vt«SKtl.
UKX IMUMING
Fig.5a
/i'-' /: - /■'- h'-'
ƒ»
I
P lof o[ lof
1
■© l!
COUN1CBTlMJBCUAB
8j 8
T
9
7442
Fig.5b
vcc
•KOXIUS
0 ..
«2 XV0
B'BI Bï0
L1J ClCl C2 o °' 0201,
Cl ** *0
V " '2 vV0
ltj giGI Gïrn m<> r/': mrxm ncioiCZ] cziioi.ii/i] rrio.rTi rn '(i. rn r/i o
Fig.5c
NAABHG4 vtimNM*
Fig.5d
5
o
V
1
3^ o
t
'
t'r '?
**
UL S20
17 ■
/*2-12-1 TG2-I
Ut
0«UTI»fr«ou(Hin■OT
«UTO M«HO OCVCWIBMBt/ ■O
J
Fig.5.Schakelingenvoorhetinstellenvandekanalenopdemassaselector.
RADIOELECTRONICA1974No.23
770
É
|int»couniibwist»|
3. wanneer de integratietijd is verlo
pen, moet de intcgratietijd-klokde timcr/counter stoppen en de pro
gramma-tellerstarten
4. timer/counteruitprinten; integratic-tijd-klok resetten
5. doorstappen naar volgende massa-kanaal
6. programma-teller resetten.
De opeenvolgende bewerkingen zijn getekend in het tijd-volgordc diagram vanfig.6.Hierinisdewachttijd,voor
datde2ebewerkingwordtvoltrokken, op het le massakanaal 40 senop alle andere massakanalcn 2s. Ditisbijde metingen waarvoor deze opstelling is ontworpen noodzakelijk,omdatde in-tensiteits-verhoudingvandemassa,die opmassakanaal 1wordtgemetent.o.v.
demassa’sdieopdeandere massakana-len worden gemeten,ongeveer 1 :300 bedraagt (resp. de isotopen 36Ar en J"Ar). Bij het overspringen naar mas
sakanaal 1 heeft de DC-versterker, doorzijngroteRC-tijd,eenlangeretijd nodig om de juiste intensiteit van de daaropte metenmassaweertegeven.
De programma-teller bestaat uit acht tiendelers(7490,in fig.4weergegeven onder de nummers 1 t/m 8) met een circuitwelkede2sen40swachttijden verzorgt. Dezedelerswordengestuurd vanuit een 1 MHzoscillator (hiervoor wordtdeoscillatoruitdetimer/counter gebruikt).Nadedelingvandeze1MHz impulsentot 1 Hzofl/20Hzwordende
zetoegevoerdaaneenteller7493(10), welke isverbondenmeteen BCDnaar decimaalomzetter7442(9).Opéénvan de tien uitgangen van deze decoder verschijnt nueen0 afhankelijkvande stand van de7493(10);de andere uit
gangenzijn 1.Opdeze niveausworden nu dediverse bewerkingenuitgevoerd (fig. 6).
Doordat de uitgang2vande 7442 (9) nietwordtgebruiktzalhet,ondankshet feit dat de tellermet 1 Hz of ]I2Q Hz impulsen wordtgestuurd, toch 2of40 s duren voordat detweede bewerking wordt uitgevoerd. De voorwaarden welkewordengesteldomde 1Hzofde V2o Hzaan de 7493 (10)toetevoeren
\1
PUNTINOP
■C744}
01403
l«C COuNtmST4BI.
'MIGflATilHJOST
JNUGBBTllTiiQ INSH1844B.
tNVOl aNOt«4N441I
COUNTtBSTOP.
|PBQGBAMM4COUUTtaSTAPT --- ---- — 4J. _
VlBTBAGlNG DOODMONO -_______ iSTABlISN74131
--- 1 —
Blokschemuvandeautomatisering Deautomatiseringisontwikkeldinhet Z.W.O. Laboratorium voor Isotopen-Geologie te Amsterdam voor een Va-rian-Mat GD-150 gasmassaspectrome-ter, die werktvolgens hetblokschema zoals weergegeven in fig. 2. De span
ninguitdeDC-versterkerwordtviaeen verzwakker-schakeling(welkevoorelk massakanaalnaarkeuzekanwordenin
gesteld)toegevoerdaaneen spannings-frequentieomzetter
kard). Deze heeft een in-uitgangska-rakteristiekzoalsweergegeveninfig.3.
Deze frequentiewordt gedurende een bepaalde, naar keuze instelbaremeet
tijd (r) geteld'op een timer/counter (Advance)waarnahetresultaathiervan wordtuitgeprint. Opdezemanieront
staat de volgende relatie tussen de te meten spanning, het aantal gemeten impulsenende meettijd(r):
-►
Deeigenlijkemassaselectorbestaatuit de teller 74192 (12) en de BCD naar decimaal omzetter 7442 (13) met de daar achtergeschakeldeinverters (fig.
4). DoormiddelvandeschakelaarsSI en S2 ishetmogelijk aande tellereen vóórinstellingtegeven,zodatdekana
len met de hand kunnen worden af
getast.Deschakelingvoorinstellenvan de gewenste kanalen door de mas
saselector zijn weergegeven in fig. 5.
Voorhetinstellenvaneenkanaalwordt dereferentieweerstandvanhetvoorde versnellende spanning zorgende voe-dingsapparaatzodanigingesteld,datde gewenstemassaopdecollectorterecht komt. Dit gebeurt met behulp van reedrelais. Deze zullen beurtelings wordengeactiveerd,afhankelijkvande standvande74192(12).Bijelkkanaal wordt op dezelfde manier eenreedre
lais geactiveerd, welke een voorafin
gesteldeverzwakkerstandverzorgt.
Stelde74192(12)heeftdetelstandnul, dangeeftdeuitgang1vande7442(13) een0, terwijlalleandereuitgangeneen 1 geven.Dezeuitgangenwordentwee
maalgeïnverteerd,zodatophetreedre
lais Al een 0 komt, waardoor deze wordt bekrachtigd. Op alle andere reedrelais komt een 1 endeze blijven onbekrachtigd. Elke andere telstand van de 74192 (12) zal dus een ander reedrelaisbekrachtigen.DeLED’spa
rallelaande reedrelaisgeven hetmas
sakanaal aan waarop de massaselector staat(fig. 4en5).
F = frequentie.
U = ingangsspanning.
N = aantalgetelde impulsen, r = meettijd.
c =gevoeligheidsfactor;dezekanzijn 107Hz/V, 106Hz/Vof 105 Hz/V.
Massaselector
Bijouderdomsbepalingenishetnietno
digom eenvolledigmassaspectrum te doorlopen, omdat men alleen in be
paaldemassaverhoudingenisgeïnteres
seerd. De hier beschreven schakeling biedtdemogelijkheidommaximaalze
venmassa’ste selecterenente meten.
Programma-teller
Wanneer de massaselectoropeen be
paald massakanaal komt, moeten de volgendebewerkingenwordengedaan:
1. timer/counterreset
2. timer/counterstart;programma-tel
lerstop;integratietijd-klokstart RADIOELECTRONICA1974No.23 771
staan in de waarheidstabel van fig. 7. G(w,x,y,z) = yz+ wxz + xz + wxy.
Hieruitvolgtdefunctie: Nauitwerkingvandezefunctie,met be-G(w,x,y,z) = wxyz + wxyz^+wxyz + hulp van logische schakelingen, ver-wxyz+ wxyz+ wxyz+wxyz+wxyz. krijgt men het schemazoalsdit infig.
MetbehulpvaneenKarnaughdiagram 4isgetekendtussendepunten (fig.8)vereenvoudigtdittotdefunctie: zenG.
Fig.4.Massaselector.
W,x,y, 3
m L
?2
8
oj
E 'i1*»
2
h
i1 2
SI
o UI o o o < *
s
5 2 .
7
tr ï
3
l
! r
tl j 92*
2 8
ü
2 L> iH L « 8 n
; 2 s ;
>
vü
? « ï0‘imiH-103BTS1D13S5a«3wil
Do
Do
8
2 8
2 > <o 8
i? y
imt— uo>S«imnoj■■i**uO'iwnjA F
2y
D-82
D- MiiNiKiinO-
«
82
tuoil3IMOi
«iiMno3ai*ii( >
P
§I
V?F
3* |
I 3> □5
5e 8
2
*
82
V
D-F 3 -«
?F
Dó s
s I
: D*>
ï
Doï o 82P
Do 03 82 y >s
>1 8 D*
P
* >
82
d <i
8>
F
*ii«*HomiiKionHi 2
> 5
Dó
«i 8
2 tH
Ibr
RADIOELECTRONICA1974No.23
I
mm
o o 000«it**P»N
■POP*ooa*MM*
--S--
ovf"»NU(«SlAAN »•&.'7
Fig.9.Tijdvolgordediagramvandeintegra
tietijdklok.
Fig. 11. Fig. 12. Fig. 13. T-SIC
Integratietijd-klok
Deze bestaat uit de integratietijdteller (deICs14t/m22infig.4)metdaarach
ter zeven 10-standen schakelaars (S10 t/m S16). De 10-standen schakelaars dienenvoor de instellingvande meet
tijd.
Bijde2ebewerkingvande programma-tellerhoort hetstartenvan de integra-tietijd-klok en het stoppen van de programma-teller zelf. De NAND poortwelkevoordeintegratietijd-teller staat zal de 1 MHzdoorlatenwanneer deandere ingang 1is.Ditgebeurtwan
neer de programma-teller op de be-werkingsstand2 komt,inwelkgevalop de uitgang 3 van de 7442 (9) een O verschijntdie viaeen inverter 1 wordt en aan de NAND poort wordt toege
voerd. Dezelfdeuitgang3van de 7442 (9)wordt gebruiktomviatwee NOR-gates (fig. 4) de 1 MHz impulsen naar deprogramma-tellerte blokkeren,zo
dat deze stopt engéénandere bewer
kingkan uitvoerenzolangde meettijd rnietisverlopen. De1 MHzimpulsen wordendoordetiendelers(4t/m19)ge
deeld,zodatopdeuitgangenvanbeide 7442 (21,22) hettijd-volgordediagram zalverschijnenzoalsinfig. 9isweerge
geven. Voorde schakeling,dieisaan
geslotenaandeschakelaarsS10t/mS16 (fig.4),geldtdewaarheidstabelvanfig.
10.Wanneerhetmassakanaalnietinge
schakeld staat mager géén toestands
veranderingoptredenaandeuitgangbij het passeren vande bij dat kanaal in
gestelde meettijdr(1 naar2,fig. 10).
Wanneer het massakanaal staat inge
schakeld moet er een toestandsveran
deringoptredenaandeuitgang(3naar 4, fig. 10). Deze verandering wordt doorgegevenviadebinairevergelijkers die een waarheidstabel hebben als weergegeveninfig.11.Deverandering 1 —► 0 doet de timer-counterstoppen (deze meet het aantal impulsen uit de spanning-frequentie-omzetter), terwijl de 1 MHz toevoer aan de
program-matellerwordtvoortgezet, zodatdiens verdere programma kan worden af
gewerkt (fig.6).
DeschakelaarsS3t/mS9(fig.4)achter de massakanaal-selector hebben tot doel bepaalde massakanalen desge
wenst te doen overslaan. Stelschake
laarS3staataandeinvertergeschakeld, dan zal op het moment dat de mas
sakanaal-selectoropkanaal 1 komtde uitgang1vande7442(13)van,,1”naar 0” gaan. De inverteruitgangWgaat van ,,0”naar ,,1”endezeverandering wordt via de daar achtergeschakelde binaire vergelijkers doorgegeven naar Rinfig.4,welkeisverbondenmeteen schakeling bestaande uit drie NAND poorten. DezeNANDpoortenzijnook verbondenmetpuntQvandeprogram
matellerenmethetpuntPwelkeaan de 1 MHzoscillatorligt.Devoorwaar
den,welkeaangevenwanneerermoet worden doorgestapt naar een ander massakanaal, zijn aangegeven in de waarheidstabelvanfig. 12.
Alle andere toestanden van de ingang komennietvoorenzijndus,,don’tca
re”condities. Hieruitvolgtdefunctie:
F= QRP + QRP
MetbehulpvaneenKarnaugh-diagram (fig. 13) vereenvoudigt dit tot de functie:
F= PR +PQ=P(R+Q).
Nauitwerkingvandezefunctie,metbe
hulp van logische schakelingen, ver
krijgt menhet schema zoalsdit infig.
4isgetekendtussendepuntenP,Q,R en F.
Slotopmerking
HetZ.W.O.Laboratoriumvoor Isoto-pen-GeologieteAmsterdam(Stichting I.G.O.) werktonderauspiciën vande Nederlandse Organisatievoor Zuiver-Wetenschappelijk Onderzoek(ZWO).
Literatuurverwijzing
Priem. H. N.A (1970)- Radioactievechronometers.
Natuur&Techniek38.Nr.2.pp.2-14.