AMS测年技术的应用(1 / 1)

当仇士华以14C测年专家的身份最早和李学勤等著名学者与国务委员宋健交谈、讨论时,他就感到14C测年的常规法和AMS法发挥重大威力和作用的时代已经到来了。仇士华深知,由于AMS法具有所需样品量少、功效快等常规14C测年法不能比拟的特点,AMS测年法就必然成为夏商周断代工程中一个不可或缺的重要部分。为此,“工程”在立项中特设了AMS测年这一专题,其主要研究目标和预期成果是:将北京大学加速器质谱计的14C测量精度提高到0.3%—0.5%(相当于±40年)的水平;提高AMS测量的功效和系统的可靠性,完善AMS14C测年的方法;为夏商周断代工程测量样品250个。工程领导小组任命郭之虞教授担任该专题组组长,并全权负责AMS14C测年事宜。

郭之虞做科研成果报告

郭之虞,1944年生于江苏常熟市虞山脚下一个书香门第,祖父早年赴英国里兹大学学习铁路建造专业,学成归国后曾任粤汉铁路武昌至株洲段总工程师,为中国铁路事业的发展做出了杰出贡献。差不多在相同的时候,郭之虞的外祖父也留学英国,在曼彻斯特大学攻读化工专业,在结束了长达13年的留学生活后,回国到北京工业学院(后来的北京大学工学院)化学系任教授、系主任。郭之虞自小跟外祖父在北京读书,并对天文学产生了浓厚的兴趣,在北京市二十五中学读书期间,曾组织过一个天文小组,业余学习天文知识,并准备投考大学天文专业继续深造。让他感到遗憾的是,当时全国大学中设天文专业的并不多,著名的南京大学天文系这一年又不在北京招生,郭之虞只好舍去自己的首选志趣和爱好,考入了北京大学技术物理系,攻读核物理专业,时在1962年。从1956年到1966年的10年,是中国的核科学和北大技术物理系蓬勃发展并不断巩固提高的时期,尽管其间经历了一连串的运动,北大技术物理系还是为祖国的原子能事业培养出了一大批高水平的专业人才。就郭之虞而言,可谓恰逢其时又走背运,正当他毕业、准备在核科学领域大显身手时,“**”爆发,根据毛泽东主席关于知识分子要到基层接受工农兵再教育的最高指示,郭之虞被分配到山东潍坊无线电三厂从事生产半导体二极管的工作。在这家集体所有制的小厂里,郭之虞一干就是10年,其间经历了娶妻生子的过程,也取得了由一名普通工人升为技术组副组长的“荣耀”。当然,按他的组织能力以及开发新产品的贡献,他是完全有资格坐上技术组组长这把交椅的,不过按当时的政治条件,像他这样的知识分子能当这个“官”已经是很幸运的了。

在山东潍坊搞了10年半导体二极管和三极管生产的郭之虞,随着“**”的结束,人生和事业的命运又有了新的转折。1978年,他作为恢复高考后的第一届研究生重返北大校园,在著名核物理学家虞福春和陈佳洱的指导下,重新开始了原子核物理学的学习和研究,直到1981年毕业后留校任教。

1983年,经教育部批准,北京大学成立了与技术物理系血肉相连的重离子物理研究所,根据领导的安排,郭之虞在系里继续任教的同时,将主要精力投入研究所的一系列研究工作之中。自1986年起,郭之虞介入加速器质谱学领域,并致力于这门学科的研究和发展。1993年,他被校方任命为重离子物理研究所副所长,由于当时的所长陈佳洱身兼数职,所里的研究工作和日常事务主要由郭之虞和另一位副所长包尚联负责,郭之虞的主要精力依然放在加速器质谱学方面。夏商周断代工程立项后,他自然就成为AMS14C测年专题的主要组织者和领导者。

尽管北京大学的加速器质谱计1993年投入使用后,在3年多的时间里取得了一批重要的科研成果,但由于资金投入有限,设备老化严重,加速器质谱计的运行水平较低,性能也不十分理想,测定精度一般存在1%—2%的误差,且系统的稳定性差,故障率高,自动化程度较低。这种状况显然不能满足夏商周断代工程的需要。如果要达到具有国际先进水平的14C测量精度,势必要提高技术水平并加强设备的改造。在时间极其有限的情况下,研究方案的正确性和实施组织的有效性就显得格外重要。

为了保证任务的顺利完成,按照基金重大项目的管理办法,北京大学重离子物理研究所专门成立了由郭之虞、李坤等7人组成的专题学术领导小组,有关研究方案、技术路线、进度安排等重大问题均由学术领导小组研究决定,再由专题负责人组织执行。值得庆幸的是,通过前些年对加速器质谱计的建造和运行,郭之虞等学者已积累了丰富的经验,对存在的问题有了清楚的了解。同时,加速器质谱学专家们多年来一直与国际学术界保持着密切的联系,对国际上的研究进展与技术进步也有清楚的了解。所有这一切,又为专题的完成奠定了技术上的基础。

刘克新在实验室对采集样品进行技术处理

从1996年初开始,夏商周断代工程AMS测年专题组进行了大量的文献调研,并召开了多次方案讨论会。当专题的可行性经专家论证通过后,又抓紧了具体实施方案的落实,并广泛听取了国际同行的意见。1996年5月下旬,专题组成员、青年核物理学家鲁向阳副教授在参加第七次AMS国际会议期间,曾与世界上各AMS实验室的专家就设备技术升级改造问题进行探讨,并向他们了解对当时两种流行的商品化离子源的评价。1996年11月,专题组组长郭之虞与专题组成员、年轻的学者汪建军两人赴美国进行考察,访问了几家处于世界先进地位的AMS实验室,与美国专家深入讨论了有关技术问题,并访问了美国国家静电公司(NEC),考察了其商品化的AMS专用离子源。当时正在澳大利亚国立大学访问工作的专题组成员、青年学者刘克新副教授,也及时将他在该处调试与使用NEC离子源的情况与经验反馈回国。在此基础上,专题组经过与国外两家商业公司直接谈判,并综合考虑到价格等因素,最后确定了购置设备、仪器的整体方案。

北京大学加速器质谱计装置示意图

从1997年4月开始,专题组开始购置和安装新的设备,到1998年3月,设备安装基本结束,开始全系统联调,对不够理想的部位进一步改造和完善。

1998年12月初,夏商周断代工程向北大AMS专题组提供4种样品进行盲检(检测者事先不知道样品的出土地点和年代),测定结果与中国社科院考古所、北京大学考古系仇士华、陈铁梅具体负责的两个常规14C实验室所得到的年代值在允许误差范围内基本一致。稍后,专题组还选出7个样品,送往在世界同行中颇负盛名的加拿大多伦多大学加速器质谱学实验室进行测量,以和北大AMS的结果做比对参考。再后来,AMS专题组对国际原子能机构(IAEA)提供的标准样品进行了比对测量,前后两期比对的结果均显示了良好的一致性。与此同时,AMS专题组有计划地对一些样品安排了复测,以检验测量结果的可靠性,并对一些考古学家有疑问的数据也安排了复测。通过一系列盲检、复测和比对,结果表明,北京大学加速器质谱计的测量结果有较高的可信度,所给出的年代数据与真值的偏差,一般不会超过2σ的范围(95%置信区间)。鉴于以上取得的可行性效果,北京大学AMS专题组开始对夏商周断代工程提供的批量样品进行测定,并在测量过程中继续深入地进行14C测年方法的研究,以使测量质量不断得到改善和提高。

当然,加速器质谱计作为科学领域一门先进的技术,它的操作和运算过程是极其复杂的,外人很难领悟其中的奥妙,仅仅是一个基本公式就列有一长串令人眼花缭乱的数字,请看下面基本公式的一个片段:

加速器质谱计14C测年是相对测量,即以标准样品(下标为s)为参照来进行未知样品(下标为x)的测量。考虑到本底(下标为b)校正和分馏校正,样品年龄

其中MC为未知样品以现代碳(Modern Carbon)为单位的放射性比活度,以下称为样品的MC值。

其中

Ks为标准样的MC值,中国糖碳的Ks=1.362,国际草酸OX-I的Ks=1/0.95。Kfr为分馏校正因子,若以中国糖碳为标准样,

若以OX-I为标准样,

故我们需用AMS测得Rx,Rs,Rb,用常规质谱计测得δ13Cx和δ13Cs(中国糖碳的δ13Cs=-19.32),然后即可求得样品的年龄。

面对如此复杂、严谨、精密的科学计算,负责这个专题的学者们付出的心血和精力是可想而知的。同时从另一个侧面也可以看出,夏商周断代工程是在怎样的一种科学条件和科学精神的指导下进行的。

鲁向阳作14C测年报告

所幸的是,加速器质谱计测年专家在承担了夏商周断代工程专题之后,得到了北京大学校领导和重离子物理研究所的高度重视与支持。先后有26名学者分别承担了物理、机械、真空、电子、计算机等不同专业的工作。需要特别提及的是,AMS测年设备,不像一般人想的那样是由几台电脑和几根试管构成的。其设备的总重量达几千吨,需要3000多平方米的空间才能合理摆放,否则就无法进行正常工作。在设备改造期间,专题组人员四处采购部件,运回后自己动手安装,当安装最大部件时,正处于酷暑时期,青年学者鲁向阳等顾不得斯文,光着汗淋淋的膀子,和其他学者们一道喊着号子来回搬运。青年学者汪建军于1994年硕士毕业后留校在重离子物理研究所工作。一位朋友在中美两地创建了一家较大的上市公司,邀请其加盟,所付的报酬是在所里工作的十几倍。面对如此优厚的条件,汪建军萌生了离开北大重离子物理研究所的念头,并打报告向所领导正式提了出来。此时正值夏商周断代工程上马,汪建军被编入AMS专题组并负责数据获取系统。鉴于人手短缺,许多工作需要青年学者介入,所领导劝其以国家利益为重,将这项工作完成后再作考虑。汪建军愉快地服从了组织决定,继续留在AMS专题组,并尽其所能完成所承担的工作,直到专题结束后才调离工作岗位。1998年初,加速器质谱计的设备改造接近尾声,调试工作和方法学研究即将开始。这是一项繁重而艰巨的任务,谁来担此重任?郭之虞首先想到了刘克新副教授。他是陈佳洱指导培养的博士研究生,曾在建造北京大学加速器质谱计的第一期工程中立下汗马功劳,在AMS调试上有丰富的经验。但此时他正在澳大利亚国立大学做访问学者,且因工作出色,外国老板希望他能延期回国。这样的机会不易多得,但郭之虞还是狠下心发出了要求他按期回国的信息。刘克新得知国内情况后,立即放弃了国外的优越条件,毅然奉召回国,并随即投入夏商周断代工程中。

鲁向阳(右二)、刘克新(右三)等青年学者在进行设备安装调试

安装成功后的加速器

当AMS进入调试与测量阶段后,由于时间紧、任务重,机器不得不连续几天几夜不停地运转,加班加点和值夜班对专题组人员而言已是家常便饭。在一年多的时间里,刘克新等青年学者在机器边日夜坚守,深怕发生故障和不可预测的事故。正是由于有了这样一支具有很高的学术与专业技术水平,又具有拼搏献身精神的队伍,工作才得以顺利进行。

在夏商周断代工程14C测年汇报会上,鲁向阳与郭之虞(左起一、二)向与会专家演示检测成果。右为考古专家杜金鹏

北京大学加速器质谱计在被成功地改进之后,14C测量精度已由原来的1%—2%提高到0.4%—0.5%,测年误差在32—40年之间。就批量样品的测量而言,所测样品超过工程指定的250个,并达到了国际先进水平。在其他方面也完全达到或超过了工程预期的效果。

AMS法专题组,对考古人员提供的木炭或骨制样品,进行了测定。当14C年代值测出后,由对系列样品树轮校正法和贝叶斯统计学做过深入研究的青年学者马宏骥,进行树轮曲线校正和计算,最后通过拟合换算出一个误差较小的日历年代。

关于河南龙山文化晚期分为三段:

第一段 以王城岗一期、煤山一期为代表;

第二段 以王城岗二、三期,瓦店一、二期,煤山二期为代表;

第三段 以王城岗四、五期,瓦店三期为代表。

经过对王城岗遗址的系列含碳样品进行AMS14C年代测定并拟合,得出下列数据:

河南龙山文化晚期遗存分期及AMS测年数据

续表

从上表可以看到,河南龙山文化晚期的时间排序为公元前2190—前1965年。

由于此前用14C常规法所测二里头遗址的最早年代为公元前1880年,这就不难发现,河南龙山文化晚期的最晚段公元前1965年,与二里头遗址最早段公元前1880年之间有85年左右的缺环,从文化传承关系和考古发现的层位关系来看,二里头一期遗存常常叠压在河南龙山文化遗存之上,两者在时间上紧密相接,其间不可能再有什么缺环。但比较它们的文化面貌,却又有着明显的区别,这个区别表明河南龙山文化到二里头文化出现过文化中断现象,产生过突变。也就是说二里头文化不是河南龙山文化的自然延续,河南龙山文化也不是形成二里头文化的全部来源。有鉴于此,夏商周断代工程部分学者认为,河南省新密市新砦遗址以某些单位为代表的遗存,早于二里头文化一期,晚于河南龙山文化晚期。根据这条线索,“工程”于1999年开始安排考古人员对新砦遗址再次进行了发掘,发掘结果证明新砦文化二期上接龙山文化晚期(新砦一期),下连二里头文化一期,正填补其间的空白。由此可见,整个龙山文化晚期到二里头文化14C测年的年代跨度上、下限为公元前2190—前1521年,总积年为669年。

当然,这个积年只能说是一个大的时间框架,并不能代表整个夏代的年数,有关夏代积年还要参照其他学科的研究情况进行整体推算。于是,便有了天文学的介入。