AMS測年技術的應用

  當仇士華以14C測年專家的身份最早和李學勤等著名學者與國務委員宋健交談、討論時，他就感到14C測年的常規法和AMS法發揮重大威力和作用的時代已經到來了。仇士華深知，由於AMS法具有所需樣品量少、功效快等常規14C測年法不能比擬的特點，AMS測年法就必然成為夏商周斷代工程中一個不可或缺的重要部分。為此，「工程」在立項中特設了AMS測年這一專題，其主要研究目標和預期成果是：將北京大學加速器質譜計的14C測量精度提高到0.3%—0.5%（相當於±40年）的水平；提高AMS測量的功效和系統的可靠性，完善AMS14C測年的方法；為夏商周斷代工程測量樣品250個。工程領導小組任命郭之虞教授擔任該專題組組長，並全權負責AMS14C測年事宜。

  郭之虞做科研成果報告

  郭之虞，1944年生於江蘇常熟市虞山腳下一個書香門第，祖父早年赴英國里茲大學學習鐵路建造專業，學成歸國後曾任粵漢鐵路武昌至株洲段總工程師，為中國鐵路事業的發展做出了傑出貢獻。差不多在相同的時候，郭之虞的外祖父也留學英國，在曼徹斯特大學攻讀化工專業，在結束了長達13年的留學生活後，回國到北京工業學院（後來的北京大學工學院）化學系任教授、系主任。郭之虞自小跟外祖父在北京讀書，並對天文學產生了濃厚的興趣，在北京市二十五中學讀書期間，曾組織過一個天文小組，業餘學習天文知識，並準備投考大學天文專業繼續深造。讓他感到遺憾的是，當時全國大學中設天文專業的並不多，著名的南京大學天文系這一年又不在北京招生，郭之虞只好捨去自己的首選志趣和愛好，考入了北京大學技術物理系，攻讀核物理專業，時在1962年。從1956年到1966年的10年，是中國的核科學和北大技術物理系蓬勃發展並不斷鞏固提高的時期，儘管其間經歷了一連串的運動，北大技術物理系還是為祖國的原子能事業培養出了一大批高水平的專業人才。就郭之虞而言，可謂恰逢其時又走背運，正當他畢業、準備在核科學領域大顯身手時，「文化大革命」爆發，根據毛澤東主席關於知識分子要到基層接受工農兵再教育的最高指示，郭之虞被分配到山東濰坊無線電三廠從事生產半導體二極體的工作。在這家集體所有制的小廠里，郭之虞一干就是10年，其間經歷了娶妻生子的過程，也取得了由一名普通工人升為技術組副組長的「榮耀」。當然，按他的組織能力以及開發新產品的貢獻，他是完全有資格坐上技術組組長這把交椅的，不過按當時的政治條件，像他這樣的知識分子能當這個「官」已經是很幸運的了。

  

  在山東濰坊搞了10年半導體二極體和三極體生產的郭之虞，隨著「文化大革命」的結束，人生和事業的命運又有了新的轉折。1978年，他作為恢復高考後的第一屆研究生重返北大校園，在著名核物理學家虞福春和陳佳洱的指導下，重新開始了原子核物理學的學習和研究，直到1981年畢業後留校任教。

  1983年，經教育部批准，北京大學成立了與技術物理系血肉相連的重離子物理研究所，根據領導的安排，郭之虞在系裡繼續任教的同時，將主要精力投入研究所的一系列研究工作之中。自1986年起，郭之虞介入加速器質譜學領域，並致力於這門學科的研究和發展。1993年，他被校方任命為重離子物理研究所副所長，由於當時的所長陳佳洱身兼數職，所里的研究工作和日常事務主要由郭之虞和另一位副所長包尚聯負責，郭之虞的主要精力依然放在加速器質譜學方面。夏商周斷代工程立項後，他自然就成為AMS14C測年專題的主要組織者和領導者。

  儘管北京大學的加速器質譜計1993年投入使用後，在3年多的時間裡取得了一批重要的科研成果，但由於資金投入有限，設備老化嚴重，加速器質譜計的運行水平較低，性能也不十分理想，測定精度一般存在1%—2%的誤差，且系統的穩定性差，故障率高，自動化程度較低。這種狀況顯然不能滿足夏商周斷代工程的需要。如果要達到具有國際先進水平的14C測量精度，勢必要提高技術水平並加強設備的改造。在時間極其有限的情況下，研究方案的正確性和實施組織的有效性就顯得格外重要。

  為了保證任務的順利完成，按照基金重大項目的管理辦法，北京大學重離子物理研究所專門成立了由郭之虞、李坤等7人組成的專題學術領導小組，有關研究方案、技術路線、進度安排等重大問題均由學術領導小組研究決定，再由專題負責人組織執行。值得慶幸的是，通過前些年對加速器質譜計的建造和運行，郭之虞等學者已積累了豐富的經驗，對存在的問題有了清楚的了解。同時，加速器質譜學專家們多年來一直與國際學術界保持著密切的聯繫，對國際上的研究進展與技術進步也有清楚的了解。所有這一切，又為專題的完成奠定了技術上的基礎。

  劉克新在實驗室對採集樣品進行技術處理

  從1996年初開始，夏商周斷代工程AMS測年專題組進行了大量的文獻調研，並召開了多次方案討論會。當專題的可行性經專家論證通過後，又抓緊了具體實施方案的落實，並廣泛聽取了國際同行的意見。1996年5月下旬，專題組成員、青年核物理學家魯向陽副教授在參加第七次AMS國際會議期間，曾與世界上各AMS實驗室的專家就設備技術升級改造問題進行探討，並向他們了解對當時兩種流行的商品化離子源的評價。1996年11月，專題組組長郭之虞與專題組成員、年輕的學者汪建軍兩人赴美國進行考察，訪問了幾家處於世界先進地位的AMS實驗室，與美國專家深入討論了有關技術問題，並訪問了美國國家靜電公司（NEC），考察了其商品化的AMS專用離子源。當時正在澳大利亞國立大學訪問工作的專題組成員、青年學者劉克新副教授，也及時將他在該處調試與使用NEC離子源的情況與經驗反饋回國。在此基礎上，專題組經過與國外兩家商業公司直接談判，並綜合考慮到價格等因素，最後確定了購置設備、儀器的整體方案。

  北京大學加速器質譜計裝置示意圖

  從1997年4月開始，專題組開始購置和安裝新的設備，到1998年3月，設備安裝基本結束，開始全系統聯調，對不夠理想的部位進一步改造和完善。

  1998年12月初，夏商周斷代工程向北大AMS專題組提供4種樣品進行盲檢（檢測者事先不知道樣品的出土地點和年代），測定結果與中國社科院考古所、北京大學考古系仇士華、陳鐵梅具體負責的兩個常規14C實驗室所得到的年代值在允許誤差範圍內基本一致。稍後，專題組還選出7個樣品，送往在世界同行中頗負盛名的加拿大多倫多大學加速器質譜學實驗室進行測量，以和北大AMS的結果做比對參考。再後來，AMS專題組對國際原子能機構（IAEA）提供的標準樣品進行了比對測量，前後兩期比對的結果均顯示了良好的一致性。與此同時，AMS專題組有計劃地對一些樣品安排了複測，以檢驗測量結果的可靠性，並對一些考古學家有疑問的數據也安排了複測。通過一系列盲檢、複測和比對，結果表明，北京大學加速器質譜計的測量結果有較高的可信度，所給出的年代數據與真值的偏差，一般不會超過2σ的範圍（95%置信區間）。鑑於以上取得的可行性效果，北京大學AMS專題組開始對夏商周斷代工程提供的批量樣品進行測定，並在測量過程中繼續深入地進行14C測年方法的研究，以使測量質量不斷得到改善和提高。

  當然，加速器質譜計作為科學領域一門先進的技術，它的操作和運算過程是極其複雜的，外人很難領悟其中的奧妙，僅僅是一個基本公式就列有一長串令人眼花繚亂的數字，請看下面基本公式的一個片段：

  加速器質譜計14C測年是相對測量，即以標準樣品（下標為s）為參照來進行未知樣品（下標為x）的測量。考慮到本底（下標為b）校正和分餾校正，樣品年齡

  其中MC為未知樣品以現代碳（Modern Carbon）為單位的放射性比活度，以下稱為樣品的MC值。

  其中

  Ks為標準樣的MC值，中國糖碳的Ks=1.362，國際草酸OX-I的Ks=1/0.95。Kfr為分餾校正因子，若以中國糖碳為標準樣，

  若以OX-I為標準樣，

  故我們需用AMS測得Rx，Rs，Rb，用常規質譜計測得δ13Cx和δ13Cs（中國糖碳的δ13Cs=-19.32），然後即可求得樣品的年齡。

  面對如此複雜、嚴謹、精密的科學計算，負責這個專題的學者們付出的心血和精力是可想而知的。同時從另一個側面也可以看出，夏商周斷代工程是在怎樣的一種科學條件和科學精神的指導下進行的。

  魯向陽作14C測年報告

  所幸的是，加速器質譜計測年專家在承擔了夏商周斷代工程專題之後，得到了北京大學校領導和重離子物理研究所的高度重視與支持。先後有26名學者分別承擔了物理、機械、真空、電子、計算機等不同專業的工作。需要特別提及的是，AMS測年設備，不像一般人想的那樣是由幾台電腦和幾根試管構成的。其設備的總重量達幾千噸，需要3000多平方米的空間才能合理擺放，否則就無法進行正常工作。在設備改造期間，專題組人員四處採購部件，運回後自己動手安裝，當安裝最大部件時，正處於酷暑時期，青年學者魯向陽等顧不得斯文，光著汗淋淋的膀子，和其他學者們一道喊著號子來回搬運。青年學者汪建軍於1994年碩士畢業後留校在重離子物理研究所工作。一位朋友在中美兩地創建了一家較大的上市公司，邀請其加盟，所付的報酬是在所里工作的十幾倍。面對如此優厚的條件，汪建軍萌生了離開北大重離子物理研究所的念頭，並打報告向所領導正式提了出來。此時正值夏商周斷代工程上馬，汪建軍被編入AMS專題組並負責數據獲取系統。鑑於人手短缺，許多工作需要青年學者介入，所領導勸其以國家利益為重，將這項工作完成後再作考慮。汪建軍愉快地服從了組織決定，繼續留在AMS專題組，並盡其所能完成所承擔的工作，直到專題結束後才調離工作崗位。1998年初，加速器質譜計的設備改造接近尾聲，調試工作和方法學研究即將開始。這是一項繁重而艱巨的任務，誰來擔此重任？郭之虞首先想到了劉克新副教授。他是陳佳洱指導培養的博士研究生，曾在建造北京大學加速器質譜計的第一期工程中立下汗馬功勞，在AMS調試上有豐富的經驗。但此時他正在澳大利亞國立大學做訪問學者，且因工作出色，外國老闆希望他能延期回國。這樣的機會不易多得，但郭之虞還是狠下心發出了要求他按期回國的信息。劉克新得知國內情況後，立即放棄了國外的優越條件，毅然奉召回國，並隨即投入夏商周斷代工程中。

  魯向陽（右二）、劉克新（右三）等青年學者在進行設備安裝調試

  安裝成功後的加速器

  當AMS進入調試與測量階段後，由於時間緊、任務重，機器不得不連續幾天幾夜不停地運轉，加班加點和值夜班對專題組人員而言已是家常便飯。在一年多的時間裡，劉克新等青年學者在機器邊日夜堅守，深怕發生故障和不可預測的事故。正是由於有了這樣一支具有很高的學術與專業技術水平，又具有拼搏獻身精神的隊伍，工作才得以順利進行。

  在夏商周斷代工程14C測年匯報會上，魯向陽與郭之虞（左起一、二）向與會專家演示檢測成果。右為考古專家杜金鵬

  北京大學加速器質譜計在被成功地改進之後，14C測量精度已由原來的1%—2%提高到0.4%—0.5%，測年誤差在32—40年之間。就批量樣品的測量而言，所測樣品超過工程指定的250個，並達到了國際先進水平。在其他方面也完全達到或超過了工程預期的效果。

  AMS法專題組，對考古人員提供的木炭或骨制樣品，進行了測定。當14C年代值測出後，由對系列樣品樹輪校正法和貝葉斯統計學做過深入研究的青年學者馬宏驥，進行樹輪曲線校正和計算，最後通過擬合換算出一個誤差較小的日曆年代。

  關於河南龍山文化晚期分為三段：

  第一段 以王城崗一期、煤山一期為代表；

  第二段 以王城崗二、三期，瓦店一、二期，煤山二期為代表；

  第三段 以王城崗四、五期，瓦店三期為代表。

  經過對王城崗遺址的系列含碳樣品進行AMS14C年代測定並擬合，得出下列數據：

  河南龍山文化晚期遺存分期及AMS測年數據

  續表

  從上表可以看到，河南龍山文化晚期的時間排序為公元前2190—前1965年。

  由於此前用14C常規法所測二里頭遺址的最早年代為公元前1880年，這就不難發現，河南龍山文化晚期的最晚段公元前1965年，與二里頭遺址最早段公元前1880年之間有85年左右的缺環，從文化傳承關係和考古發現的層位關係來看，二里頭一期遺存常常疊壓在河南龍山文化遺存之上，兩者在時間上緊密相接，其間不可能再有什麼缺環。但比較它們的文化面貌，卻又有著明顯的區別，這個區別表明河南龍山文化到二里頭文化出現過文化中斷現象，產生過突變。也就是說二里頭文化不是河南龍山文化的自然延續，河南龍山文化也不是形成二里頭文化的全部來源。有鑑於此，夏商周斷代工程部分學者認為，河南省新密市新砦遺址以某些單位為代表的遺存，早於二里頭文化一期，晚於河南龍山文化晚期。根據這條線索，「工程」於1999年開始安排考古人員對新砦遺址再次進行了發掘，發掘結果證明新砦文化二期上接龍山文化晚期（新砦一期），下連二里頭文化一期，正填補其間的空白。由此可見，整個龍山文化晚期到二里頭文化14C測年的年代跨度上、下限為公元前2190—前1521年，總積年為669年。

  當然，這個積年只能說是一個大的時間框架，並不能代表整個夏代的年數，有關夏代積年還要參照其他學科的研究情況進行整體推算。於是，便有了天文學的介入。