从南极钻取的一块冰芯，是几多年前形成的？一处深层地下水再有几何年的史籍？人们对待赖以生存的地球的史书充分好奇，科学家则平昔在想情势前进定年的精准度。

　　定年精度随着科学家前赴后继的全力而被接连先进，但在动辄以百万年为计量单位的地球史书时候圭臬上，一个细微缺点就可能爆发数万年甚至数十万年的定年差错。

　　华夏科学时间大学教育卢征天、蒋蔚与华夏科学院地质与地球物理商量所研究员庞忠和等科研人员，在国家自然科学基金国家高大科研仪器研制项目“原子阱氪、氩同位素定年装配”的赞成下，创办“原子阱痕量通晓”的超精采同位素检测事势，诈骗量子详尽测量技艺攻下了氪-85、氩-39和氪-81的探测穷苦，建成了原子阱痕量明白大型科学仪器。

　　其灵巧度、检测作用、检测疾度等各项指标都处于全国带头水平，为处境、地质、水文、形象和海洋物理学等范畴供给了前辈的检测权略，带来了新的科学前沿突破。

　　放射性同位素被称为自然界的天然时钟，能够为各类境况演化历程提供枢纽的时间音问，在地球与境遇科学中的欺骗出格广阔。

　　“定年的节制是由放射性同位素的半衰期口角计划的，因而假使待测物的‘年齿’太‘年轻’或许太‘老’，就定阻难了。”卢征天布告《中国科学报》。

　　碳-14便是为人熟知的一种定年同位素，其5730年操纵的半衰期，决定了其定年范围约在百年至万年量级。不过，这个局限对付水文、地质、海洋等范围的定年必要来叙远远不足。

　　相较之下，氪-85、氩-39和氪-81等长寿命放射性惰性气体同位素，笼盖年月限定从几年到130万年，大大超过碳-14的定年部分。

　　此外，由因而惰性气体同位素，它们在地表漫衍均匀、稳定。不论是水如故冰川，其中都保存气体，所以它们是勘测地下水、冰川和海水等境遇样品的理想定年同位素，同时在核升平方面也有紧急愚弄。

　　但一个辣手的题目是，氪-85、氩-39和氪-81的同位素丰度唯有10-11到10-16——每千克当代地下水中仅含有约4万个氪-85原子、8000个氩-39原子和1000个氪-81原子，远低于古代质谱地势的探测极限。

　　毕竟上，在20世纪60年初即有国外科学家提出，来自寰宇射线年，是处境水的理想测年同位素。但受限于当时的本事程度，这些极低丰采的同位素根基无法检测。

　　卢征天等人在前期职责的本原上，感到用自主原创的原子阱痕量会意式子是有不妨攻陷这一困扰地球与环境科学界半个世纪的探测贫窭的。所以，从2018年到2022年，在国家自然科学基金国家庞杂科研仪器研制项主张拥护下，谁转机相干推敲，重心科学目标是为酌量全球和地域水循环供应关键期间讯息。

　　1999 年，卢征天在美国阿贡国家尝试室任务时，起先提出原子阱痕量明了办法，杀青了真理性验阐明验，并在后来连气儿圆满。

　　卢征天介绍，这是一种单原子灵巧检测时间，运用激光使用中性原子，颠末诈欺原子光学、激光冷却与禁锢等手段完结对样品中被测同位素原子的高乖巧、高选拔以及高效率检测。

　　古代质谱仪是先把原子电离成为带电的离子，使其加速后在磁场中转弯，过程转弯角度大小区别区别的同位素并张开理解。

　　在卢征天等人研制的原子阱氪、氩同位素定年装配中，全班人不再将原子电离，而是用激光把原子胀舞到由多束激光构成的原子阱中，被“监管”在阱重心的原子会发出荧光，可能用高精巧相机检测。颠末比对样品与大气中氪、氩同位素的丰采，也许争论样品的“年岁”。

　　个中，当激光频率调到被测同位素原子的共振频率时，惟有该同位素原子与激光产生较强的互相效用而被原子阱拘捕，其我们同位素原子则穿阱而过。

　　“原子阱格外于一个原子筛选机，可以一个个地数出样品中特定同位素原子的数目。”蒋蔚表示，原子阱痕量会意的采取性出色高，完美不被其全班人同位素或分子所教化。

　　纵使是勘测同位素神姿低至10-16的氩-39样品，该款式还是不妨完毕零本底探测。在测量精度上，统计错误低于10%、体制毛病低于3%。

　　原子阱氪、氩同位素定年安装，蕴含3个子格局，辨别为氪-85、氩-39和氪-81寂寞着想、寂寞优化。在国家自然科学基金委员会群众组发起下，科研团队选取边阐明边研发的策略希望项目。也便是谈，建成一套应用一套，一壁投入试运行，一边征采反馈、发达新格式。

　　2018年，项目希望不久，即在安徽合肥举行了应用研商会，来自12个国家的差别周围科学家加入了会议。

　　“举办这个研商会也是为了让参会学者知说合系身手，让大家琢磨同步发展采样使命。这个集会发扬了很主要的效力，不和几年的好多应用都来自参会专家。”卢征天感到，在边明了边研发的战略提醒下，5年来，该项目曾经发作了一批斗劲好的科学效果。在地下水、冰川、海洋、核安闲等边界，全部人与国内外学者开展了联结想索。

　　在地下水定年方面，成就于原子阱痕量清楚局势的支持，基于氪-81定年的地下水推敲频年来已呈现出昌隆进展的态势。比如，在鄂尔多斯盆地发觉了越过20万年的陈腐地下水，形成了对该地域地下水循环规律的新领悟。另外，举世多地发现了年纪达百万年的古老地下水。

　　看待冰芯样品，惟有生存包裹气，就可以原委氪-81和氩-39定年法实行无误的全体定年，管理了传统的相对定年法无法愚弄于不接连样品的标题。近期，该项目团队将样品量裁减到10千克以下，并初度完了了南极深冰芯样品的氪-81定年和青藏高原冰川冰芯的氩-39定年。

　　此中，在对待南极泰勒斯冰穹深冰芯的职司中，团队用氪-81实足定年办法发觉传统模型猜度形状笃信的冰芯春秋生活15万年舛讹，并据此与欧盟考虑团队对原来的冰芯年龄标尺进行了大幅校正。而对付青藏高原羌塘冰川的氩-39定年使命则建立了山地冰川定年斟酌的新范式。

　　氪-85的要紧开始是核燃料再处置措施，因此可历程大气氪-85含量估计的年处置量，以及监测一些核辐射突发事故。该团队诈骗原子阱懂得身手告竣了对大气氪-85含量的快速勘测，将样品量减少至1升。该样品量仅为古代格式的1/1000，勘探功夫减少至1.5小时，比之前速10倍，反应的采样本钱以及难度都大幅降落。

　　该景象在核安全方面的另一应用是高放核废料处分地的选址。“这个场地的地下水最好是不活动的，所以一个很紧张的选址评估指标是此处地下水的春秋。”卢征天介绍，氪-81定年可用于斟酌场址的水文地质恳求是否契合放射性废料的保留。团队今朝已经和国内外闭连琢磨机构创立了关作关连，发扬这方面的运用酌量。

　　在原子计数率上，氪-85达到10000个原子/小时、氪-81为1000个原子/小时、氩-39为10个原子/小时；在勘探岁月上，氪-85为0.3小时至0.6小时、氪-81为1小时至2小时、氩-39为10小时至20小时。由于勘测精细度高，样品量只须要1起飞气、20千克地下水、3千克至5千克冰。而其所有人机构能够必要100千克地下水才气收场检测。

　　5年下来，项目组得到越来越宽大的承认。但新情况也来源出现——勘察机时不足用了。

　　正因如许，卢征天还是感觉“勘察速度依然太慢了”。比喻，氩-39的计数率为10个原子/小时，那么整天不妨测一个样品，测完后必要洗刷举座装置，智力根源检测新样品，而且经常需要“插队”考验校准样品，进程检验其测量值是否宁静，来评估检测收获的精确性。

　　这笔时间账算下来，项目组每周大概能测2~3个样品。“倘若一个冰芯有几十个样品，那就必要10个星期本领结束这一个项目。”卢征天表露，现在测量机时至少排到了一年后。

　　“他们抱负测得更疾、出色度更高。为了这个想法，公共的目标很多，可是大部分无论用。”卢征天映现，“但不火疾，畴昔5年大家即是一个个地测验各类宗旨，聚沙成塔。谈未必哪个主意成功了，效用提高了1.5倍乃至2倍，乘起来就也许杀青数量级的前辈了。”

　　卢征天：美国阿贡国家测验室在2018年创修了氪-81和氪-85同位素定年检测焦点，发达地球情况科学与核稳定方面的思量与操纵义务，样品须要为100千克地下水恐怕10腾飞气。德国海德堡大学搭建了氩-39的原子阱痕量贯通装备，用于勘察海水和山地冰川样品的年纪。澳大利亚联邦科学与物业推敲机合和阿德莱德大学在2019年根源皋牢树立原子阱痕量剖析焦点。国际原子能机构也规划搭建原子阱痕量懂得装备。

　　可能预期，从此10年至20年内，寰宇各地会创造多个放射性氪、氩定年测验室或检测焦点。

　　卢征天：一方面，进展全光勉励的原子阱景象，进一步向高精度和高探测效率对象进展，削减定年不相信度和勘测所需样品量，收罗1千克级冰芯的氪-81和氩-39定年、地下水高精度定年和多示踪剂琢磨、海水样品氩-39定年等。

　　另一方面，拓展原子阱痕量了解测量的同位素。钙-41同位素的半衰期为10万年，在考古和岩石呈现定年方面有潜在的严重运用。比方，测量格陵兰冰川底部岩石的钙-41暴露年事，或许救济答复格陵兰冰川在畴昔几十万年内是否已经完满溶化等强大科知识题。中原科学身手大学团队近期了结了自然神姿钙-41的定量检测，竣工了意义性验剖明验，在这方面迈出了主要一步。