Komp'juternyj klassifikator i baza danyh dlja podbora sredstv uskoritel'noj mass-spektronometrii dlja geoarheologičeskih i arheomineralogičeskih issledovanij

Scientific Essay , 2015 , 11 Pages

Engineering - Computer Engineering

In this paper we propose a computer classification and semiautomatic database collection for remote searching and choosing of the suitable instruments for accelerator mass spectrometry in geoarchaeological and archaeomineralogical research. This novel approach offers considerable practical advantages, because the literature data are borrowed from different Web-sources and can be compared, systematized and uniformly generalized using this program tool. Geoarchaeological / archaeomineralogical accelerator mass spectrometry usually operates in a wide range of acceleration voltages (from 200 KV to 14 MV), measuring accuracies and limiting detection sensitivities (including attomole, subattomole, femtomole and zeptomole levels). This work is facilitated by the use of the accelerator system classification by a multifactor optimization criteria correlated with any application areas of these devices with different physical / metrological characteristics. The above methods we have developed provide a basis not only for systematization of the well-known data and instrument selection in contemporary parametric manifold of the existing AMS instruments but also for an objective prediction of the geoarchaeological / archaeomineralogical research trends and novel research branches / areas, based on the AMS technique application. Some examples of this prognostic approach applicability are mentioned in this report.

COMPUTER CLASSIFIER & DATABASES FOR ACCELERATOR MASS SPECTROMETRY IN GEOARCHAEOLOGICAL AND ARCHAEOMINERALOGICAL RESEARCH

Pankratov S.K., Gradov O.V.

In this paper we propose a computer classification and semiautomatic database collection for remote searching and choosing of the suitable instruments for accelerator mass spectrometry in geoarchaeological and archaeomineralogical research. This novel approach offers considerable practical advantages, because the literature data are borrowed from different Web-sources and can be compared, systematized and uniformly generalized using this program tool. Geoarchaeological / archaeomineralogical accelerator mass spectrometry usually operates in a wide range of acceleration voltages (from 200 KV to 14 MV), measuring accuracies and limiting detection sensitivities (including attomole, subattomole, femtomole and zeptomole levels). This work is facilitated by the use of the accelerator system classification by a multifactor optimization criteria correlated with any application areas of these devices with different physical / metrological characteristics. The above methods we have developed provide a basis not only for systematization of the well-known data and instrument selection in contemporary parametric manifold of the existing AMS instruments but also for an objective prediction of the geoarchaeological / archaeomineralogical research trends and novel research branches / areas, based on the AMS technique application. Some examples of this prognostic approach applicability are mentioned in this report.

КОМПЬЮТЕРНЫЙ КЛАССИФИКАТОР И БАЗА ДАНЫХ ДЛЯ ПОДБОРА СРЕДСТВ УСКОРИТЕЛЬНОЙ МАСС- СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ГЕОАРХЕОЛОГИЧЕСКИХ И АРХЕОМИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Градов Олег Валерьевич (тьютор)

При датировании и в аутентификации документов и артефактов при археологических исследованиях с использованием радиоуглеродных методик применяются ускорительные масс- спектрометры. В высшей степени оптимальны для работы с многозарядными ионами ускорительные масс-спектрометры на платформах тандемных ускорителей. Предельный ускоряющий потенциал тандемных ускорителей варьируется до 14 МВ, однако во многих лабораториях используют серийно изготавливаемые для масс-спектрометрии ускорители с относительно низким потенциалом порядка 2 МВ. Аппараты подобного рода «заточены» для проведения радиоуглеродных и, реже, тритиевых методов измерений. Существуют и более компактные системы с потенциалом до 1 МВ, такие как Цюрихский ускорительный масс-спектрометр с потенциалом 200 кВ. Метрология ускорительной масс-спектрометрии удовлетворительна не только для радиоуглеродного и тритиевого, но и для бериллиевого, алюминиевого, кальциевого, йодного и иных методов. Данная информация, приведенная для экскурса в предмет дальнейшего обсуждения, общедоступна в приложении к книге [1].

Между тем, вполне очевидно, что метрологические характеристики ускорительных масс-спектрометров зависят от технических характеристик используемых ускорителей и имеет место прямая зависимость между дескрипторами масс и величиной напряженности поля. В связи с этим существует потребность в создании программного обеспечения и баз данных для выбора ускорительных масс-спектрометров под конкретные задачи, исходя из метрологических и археохронографических предпосылок, сводящаяся в конечном итоге к задаче многокритериальной оптимизации при выборе ускорителя, положенного в основу масс- спектрометра. Актуальность этой задачи можно подтвердить наличием ряда статей, в которых осуществляется сопоставление метрологических характеристик ускорительных масс-спектрометров через свойства используемых ускорителей [2], а также сопоставление ускорительной масс-спектрометрии с другими методами [3].

Нами создан программный продукт, классифицирующий ускорители, пригодные для этих целей и предлагающий выбор ускорителей, а следовательно – ускорительных масс-спектрометров под задачи пользователя. Инициировано создание удаленной базы данных, предназначенной для этих целей, которую планируется разместить в Интернете по адресу: http://accelerator-ms.3dn.ru/. Разработанная система классификации ускорителей основана на принципах действия и диапазонах кинетических энергий. В качестве условных реперов диапазонов кинетических энергий (при условии соответствия принципов действия и типов ускоряемых частиц) предложено использовать названия соответствующих ускорителей из общей физической практики. Так, для комплексов типа Цюрихского ускорительного масс-спектрометра с потенциалом от десятков до нескольких сот кВ используется суррогатный ключ KEVATRON;соответствующей технике масс-спектрометрии при нахождении в базе данных статей с положительным откликом по маске «kV» присваивается технологическое описание и отнесение к классификационной единице «кэватронная масс-спектрометрия». Возможно отнесение при поиске по маскам «МэВ» и далее к другим классифицирующим единицам, начиная с MEVATRON, и внесение на страницу классификатора «мэватронная масс-спектрометрия» и далее. Более сложную задачу (если в тексте статьи не оговариваем принцип или не указан точно характер использовавшегося аппарата, что часто встречается в биомедицинских и археологических работах) представляет различение комплексов не по потенциалу или кинетической энергии, а по принципу действия, что актуально для разных тандемных ускорителей. Для поиска по маске доступно использование отбраковывающих критериев: скажем, при сканировании загруженного массива PDF статей отбраковываемы работы, где, несмотря на то, что встречаются фрагменты по маске «масс» и «спектры» или «масс» и «спектрометрия» без прямой связи друг с другом, встречаются не подходящие по критерию использования в масс-спектрометрии типы ускорителей. Вследствие этого база данных при автоматическом заполнении не будет содержать страниц «синхрофазотронная масс-спектрометрия»,«тэватронная / бэватронная / зэватронная масс-спектрометрия» или «космотронная масс-спектрометрия» (на соответствующих языках поиска). Более того, по принципам поиска можно ввести запрещенные типы ускорителей, на которых в принципе нереализуемо построение масс-спектрометров, чтобы отключить «ложноположительные» результаты при контент-анализе. Последняя функция сработает при использовании графы «without the word» в интерфейсе. Поиск по маске «****tron» и «mass» «spectrometry» при применении опции «with all of the words» может выдавать ложноположительный результат также за счет нахождения статей радиоэлектронного профиля: ignitron, dekatron, klystron, gyrotron, quantron – проходят по маске с 4-мя переменными; trigatron, selectron, thyratron, amplitron, magnetron – с 5-ю; mechanotron, platinotron, stabilotron – с 7-ю (где «*»-варианта, переменная). Возможна фильтрация по UDC (УДК), PACS и другим кодификаторам, но в данном случае появляются ложноотрицательные результаты, обусловленные публикацией статей по ускорительной масс-спектрометрии в радиофизических, физико-методических и электронно-технических журналах: они будут выпадать из общего множества, порождая его диагностическую неполноту. Для этого сейчас используется графа «without the words», в которую вводятся слова, которые следует игнорировать. За прототип поисковой системы (точнее – её интерфейса) принят освоенный научными работниками интерфейс “Springer”, что упрощает работу с базой данных и ресурсом в целом.

Второй «метрологической» характеристикой, заложенной (в большинстве случаев – закладываемой вручную после автоматической сортировки статей) в инструментарий БД, является анализ порядка величин предельных измерений. В наиболее оптимальном случае это производится автоматически при сканировании названий и абстрактов статей. Так, на данный момент, предельными для разных случаев анализа и, следовательно, датирования можно считать уже не фемтомолярный [4,5] и аттомолярный [6,7], а субаттомолярный[8] и зептомолярый [9,10] уровень, что соответствует чувствительности на атомарном уровне и вписывается в тренд «accelerator mass spectrometry-isotope measurements at the level of the atom» [10]. Для геоархеологии и археологической минералогии исследования на атомном уровне дают принципиально новый пласт материала для теоретического анализа, так как на уровне изотопии одиночных атомов представляется возможность проследить перенос в биосфере и ноосфере (оперируя терминологией и понятийным аппаратом В. Вернадского) специфичных для конкретных локальных природных и культурных формаций изотопных форм и произвести трассирование культурных градиентов и траекторий переноса тех или иных изделий по изотопии с высокой точностью. Вследствие этого, логично полагать, что предлагаемый подход и формируемая база данных позволяют не только чисто технически осуществлять поиск и систематизацию тех или иных данных, но и сформировать базис для новых направлений геоархеологии и археоминералогии. В дальней перспективе, согласно форсайт-анализу, проведенному с использованием созданных нами программных средств и с построением графов с целью реконструкции недостающих логических звеньев «дерева науки» можно будет, в частности, говорить об:

I. «атомной геоархеологии» как науке о биогенной миграции атомов под действием человека как биологического существа на этапах антропогенеза и человека же как источника антропогенного воздействия, при котором в биосфере резко ускоряется миграция атомов по сравнению с естественными биогеохимическими процессами, на стадиях культурного генеза (в т.ч. – в «ноосфере», если считать правомочным этот термин в данном случае) и «доместицирущего шифтинга» циклов миграции;
II. «атомной археоминералогии» как атомной минералогии техногенеза с элементами кристаллографического анализа, анализа изотопии замещения одиночных атомных кластеров и изоморфных кристаллических структур при культурном переносе;
III. «субмолекулярной геоархеологии» как науке о перестройке субмолекулярных или, точнее, низкоатомных структур в ходе исторического времени (в том числе после прекращения физической используемости или физической жизни источника этого образца), что концептуально балансирует между тафономией, заимствованной из палеонтологии, и хорошо известным подходом субмолекулярной биологии Сент-Дьердьи, экстраполированным с живого вещества на косное и биокосное, которое было преобразовано «геологической силой» (которой становится, по Вернадскому, человечество с тех пор, как начинает производить культурные артефакты);
IV. «магнитно-изотопной археоминералогии» как методической дисциплины, задачей которой будет являться установление изотопии источников в археометаллографии и палеометаллургии, а также везде, где критериями отличия контроля и образца на стадии аутентификации и верификации происхождения артефакта и при датировке являются изотопные пары-тройки типа ¹² С/¹³ C, ¹⁶ O/¹⁷ O/¹⁸ O, ²⁸ Si/²⁹ Si/³⁰ Si,³² S/³³ S/³⁴ S, ⁷² Ge/⁷³ Ge, ^199,201 Hg/^200,202 Hg, ²⁴ Mg/²⁵ Mg/²⁶ Mg, ²³⁵ U/²³⁸ U,¹¹⁷ Sn/¹¹⁹ Sn – в общем случае при фракционировании ядер по магнитным моментам в реакциях, запрещенных по электронному спину (в том числе – на радиоиндуцируемом магнитном изотопном эффекте), что часто встречается в естественно- исторических условиях;
V. «субатомной / спиновой археоминералогии», родственной с магнитно-изотопной в физическом аспекте, но позволяющей спуститься глубже за счет возможностей её углубленного изучения с использованием установок на базе ускорительных масс-спектрометров, позволяющих исследовать одиночные квантовые состояния частиц в атомах, в частности регистрируя срабатывание принципа запрета Паули по спину на существенно ультрамикроскопических дозах вещества [Phys. Rev. Lett., 85(13), 2701-2704 (2000)], что важно в неразрушающем анализе исторических образцов;
VI. «фермионной геоархеологии», объединяющей эффекты и зоны анализа указанных выше двух направлений (IV, V), но включающей также возможность исследования на интродуцируемых в образец искусственных изотопов с позитронной эмиссией / позитронным распадом, после чего становится возможным анализ методами PET – позитронно- эмиссионной / двухфотонной эмиссионной томографии в пределах их времен распада с визуализацией распределения реагирующего изотопа в образце.

К сожалению, в силу ограничения списка цитируемой литературы 10-ю позициями, авторы не могут привести полный спектр требующей цитирования литературы, однако же, следует полагать, что она будет доступна для цитирования в виде BIBTEX после доводки базы данных и вывешивания её в сетевом доступе. Развитие вышеуказанных направлений ограничивается диапазоном прогностики форсайта по технике на ближайшие десятилетия.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Левченко В.А., Смит А.М., Зоппи У., Куа Х. УМС – движущая сила современных радиоуглеродных исследований, сс. 442-462. Прил. к: Вагнер Г.А. Научные методы датирования в геологии,археологии и истории. М., «Техносфера», 2006,576 с.
2. Young G.C., Corless S., Felgate C.C., Colthup P.V. Comparison of a 250 kV single-stage accelerator mass spectrometer with a 5 MV tandemaccelerator mass spectrometer--fitness for purpose in bioanalysis // Rap. Comm. Mass Spectrom., 22(24), pp. 4035-4042 (2008).
3. Warwick P.E., Croudace I.W., Hillegonds D.J.Effective determination of the long-lived nuclide ⁴¹ Ca in nuclear reactor bioshield concretes: comparison of liquid scintillation counting and accelerator mass spectrometry // Anal. Chem., 81(5), pp. 1901-1906 (2009).
4. Salehpour M., Forsgard N., Possnert G.FemtoMolar measurements using accelerator mass spectrometry // Rap. Com. Mass Spectrom., 23(5), pp. 557-563 (2009).
5. DeGregorio M.W., Dingley K.H., Wurz G.T., Ubick E., Turteltaub K.W. Accelerator mass spectrometry allows for cellular quantification of doxorubicin at femtomolar concentrations // Can. Chem. Pharm., 57(3), 335-342 (2006).
6. Dingley K.H., Roberts M.L., Velsko C.A., Turteltaub K.W. Attomole detection of ³ H in biological samples using accelerator mass spectrometry: application in low-dose, dual- isotope tracer studies in conjunction with ¹⁴ C accelerator mass spectrometry // Chem. Res.Tox., 11(10), 1217-1222 (1998).
7. Vogel J.S., Grant P.G., Buchholz B.A., Dingley K., Turteltaub K.W. Attomole quantitation of protein separations with accelerator mass spectrometry // Electrophoresis, 22(10), 2037-2045 (2001)
8. Salehpour M., Possnert G., Bryhni H. Subattomole sensitivity in biological accelerator mass spectrometry // Anal. Chem., 80(10), pp. 3515-3521 (2008)
9. Salehpour M. FemtoMolar and zeptomole sensitivity in Biological Accelerator Mass Spectrometry // BIO-Ångström 2008 [http://www.uppsalabio.com/graphics/18746.pdf], pp. 19, 45 (см. также презентацию: Salehpour M. Zeptomole Sensitivity in Biological Accelerator Mass Spectrometry // In: Proc. of “Mass Spectrometry of Small Molecular Drugs”, April 8- 9, Uppsala [http://www.apotekarsocieteten.se/upload/lma]).
10. Barker J., Garner R.C. Biomedical applications of accelerator mass spectrometry- isotope measurements at the level of the atom // Rap. Comm. Mass Spectrom., 13(4), 285-293 (1999).]

• College: Moscow State Pedagogical University
• Authors: Oleg Gradov (Author), Serge Pankratov (Author)
• Publication Year: 2015
• Pages: 11
• Catalog Number: V454565
• ISBN (eBook): 9783668871038
• ISBN (Book): 9783668871045
• Language: Russian
• Tags: komp