Wie auch beim herkömmlichen Massenspektrometer werden die Atome der Probe erst ionisiert. Dies geschieht in einer Ionenquelle durch Beschuss mit Cäsium-Ionen. Die Atome bekommen eine negative Ladung, also Elektronen, "aufgedrückt" und werden somit zu Anion. Diese werden aufgrund der negativen Spannung von -55 kV aus der Ionenquelle in einem Strahlrohr hinausbeschleunigt.
Der Vorteil der Negativierung besteht darin, dass Stickstoff (N-14) keine negative Ladung annehmen kann. Somit wird eine Beeinträchtigung der C-14 Messung durch N-14 von vornherein ausgeschlossen.

Im Inneren des Tandembeschleunigers (blauer Stahltank) wird eine positive Spannung von 5 Millionen Volt erzeugt. Um diese immense Spannung nach außen hin zu isolieren, ist der Tandembeschleuniger mit staubfreiem, trockenem Stickstoff unter einem Druck von 14 bar gefüllt.
Die positiv geladene Anode (Terminal), eine dünne Folie im Inneren des Tandembeschleunigers, zieht nun die negativ geladenen Anionen mit immenser Geschwindigkeit an.
Aufgrund des großen Ladungsunterschiedes geben sie beim Durchdringen der Folie soviel Elektronen an das Terminal ab, dass positiv geladene Kationen entstehen. Die "umgeladenen" Ionen werden vom Terminal mit enormer Energie abgestoßen.
Die Ionen werden also mit ein und derselben Spannung angezogen und abgestoßen, sozusagen doppelt beschleunigt; deshalb der Name Tandembeschleuniger.
Durch den Umladeprozess werden den unter Umständen enthaltenen Molekülen (¹³CH, CH₂) ebenfalls Elektronen entzogen. Da die Atombindung der Moleküle aber auf die Bindungselektronen angewiesen ist, zerbricht das Molekül. Eine Beeinträchtigung der C-14 Messung durch Moleküle der selben Masse wird somit ausgeschlossen.

Wie beim einfachen Massenspektrometer werden die Teilchen in einem Magnetfeld je nach Masse unterschiedlich stark abgelenkt. Da sie aber - durch zweifache Beschleunigung - eine wesentliche höhere Energie besitzen, erfolgt die Sortierung viel genauer, als beim herkömmlichen Massenspektrometer.
Anschließend werden die Teilchen in Ionensammlern (Faradaycups und Gasionisationsdetektor) aufgefangen und als elektrischer Impuls registriert. Die Daten werden an die Computer im Kontrollraum weitergeleitet und ausgewertet.
Man mißt also direkt die Anzahl der C-12, C-13 und C-14 Atome, und kann daraus das Alter der Probe berechnen.


Vor- und Nachteile der AMS-Methode
Da man nicht, wie beim der Zählrohrmethode nach Libby, erst auf den Zerfall eines C-14 Atoms warten muss, kann eine Messung in wesentlich kürzerer Zeit erfolgen. Zudem reichen schon winzige Probenmengen (etwa 1 mg) aus um eine Altersbestimmung durchführen zu können. In der Regel will man die zu untersuchenden Objekte ja so wenig, wie möglich zerstören.
Der Nachteil besteht zum einen in einer teuren Anlage und zum anderen im immensen Platzaufwand, den die riesige Anlage benötigt.
Zum Größenvergleich: Das Bild der Probenvorbereitung zeigt einen einfachen Massenspektrometer, wie er in der analytischen Chemie verwendet wird. Der blaue Stahltank (etwa 10 m lang) der AMS-Anlage ist dagegen nur deren Kernstück.

Korrekturmethoden

Um ein einwandfreies Messergebnis zu erhalten, ist wichtig, das exakte Verhältnis C-14/C-12 zum Absterbezeitpunkt der Probe zu erfahren.
Hierzu dient die sogenannte Dendrochronologie, eine andere Methode der Altersbestimmung:
Je nach klimatischer Bedingung sind die Jahresringe der Bäume von unterschiedlicher Beschaffenheit (gutes Jahr: breiter Ring - schlechtes Jahr: schmaler Ring). Durch Übereinanderlagern der Baumringe gut erhaltener Fundstücke (z.B. im Moor konserviert) kann man somit das Alter der Bäume schrittweise zurückrechnen.
Weiß man nun das genaue Alter kann man durch Messung des heutigen C-14/C-12 Verhältnisses das damalige genau berechnen.
Mit Hilfe der Dendrochronologie gelang es, das genau C-14/C-12 Verhältnis in den letzten 12000 Jahren zu rekonstruieren. Dabei wurden einige leichte Schwankungen (im Bereich von 10%) festgestellt, die auf die Veränderungen der Sonnenaktivität zurückzuführen sind.
Mit dem Beginn der Industrialisierung vor ca. 200 Jahren wurde damit begonnen im großen Maße fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl zu verbrennen. Dabei sank die atmosphärische C-14 Konzentration, da fossile Brennstoffe aufgrund ihres Alters kein C-14 mehr enthalten.
Im Gegensatz dazu stieg sie mit den zunehmenden Atombombenexperimenten und der damit verbundenen Freisetzung radioaktiver Isotope in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf das Doppelte (!) des Standardwertes 1,2 · 10^-12 an.

Eine weitere Korrekturmethode ist die Messung des C-13 Anteils in der Probe. Manche Pflanzen nehmen die Kohlenstoffisotope in unterschiedlichem Maße auf (Isotopenfraktionierung).
Anhand des C-13 Anteils kann man abweichende Verhältnisse rechnerisch korrigieren.

Je nach Art der zu untersuchenden Probe muss diese unterschiedlich vorbereitet werden, um den darin enthaltenen Kohlenstoff in möglichst reiner Form zu bekommen. In der Erde ist nur der organische Kohlenstoff (Huminstoffe, z.B. verrottetete Pflanzen) von Bedeutung, da anorganische Carbonate (Calciumcarbonat, Kalk) oft ein wesentlich höheres Alter aufweisen. In Knochen liegt neben Calciumcarbonat das Protein Kollagen vor, welches den für die Untersuchung benötigten Kohlenstoff enthält. Knochen und Erde werden in ein Salzsäurebad gelegt um darin enthaltene Carbonate zu entfernen.

Auflösen des Calciumcarbonats:

Im rechten Bild sehen Sie auf der Arbeitsfläche eine Heizplatte mit Bechergläsern in denen Erde mit Salzsäure behandelt wird (Höhere Reaktionsgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung). Darunter befinden sich Bechergläser mit Salzsäure und Knochen, die wegen der Hitzempfindlichkeit des Kollagens im Kühlschrank aufbewahrt werden.

Die somit isolierten organischen Kohlenstoffverbindungen werden in einem sogenannten Element Analyzer (das rechte Gerät auf dem Bild links) zu CO₂ verbrannt. Ein kleiner Teil des CO₂ wird zu Korrekturzwecken in einem Massenspektrometer (links neben dem Element Analyzer) auf den C-13 Anteil untersucht. Hierbei reicht ein einfaches Gerät, da der C-13 Anteil im Vergleich zu C-14 mit 1% relativ groß ist.
Der überwiegende Teil des CO₂ wird in sogenannten Kühlfallen mit flüssigem Stickstoff in den festen Aggregatzustand (Sp. -78,5 °C) überführt. Anschließend wird das CO₂ mit Wasserstoff als Redukionsmittel und Eisen als Katalysator wieder zu elementaren Kohlenstoff reduziert:

Der durch Oxidation und anschließende Reduktion in Reinform gewonnene Kohlenstoff wird in Aluminiumkapseln (Targets) gefüllt. Das darin enthaltene Eisen verbleibt in der Probe; durch seine elektrische Leitfähigkeit unterstützt es die anschließende Ionisation. Ein Probenrad wird mit 40 Targets bestückt, die je etwa 1 mg Kohlenstoff der selben oder unterschiedlicher Proben enthalten.
Dieses kann nun direkt in die Ionenquelle des AMS eingesetzt werden.

Schlussbetrachtung

Dank der AMS-Methode wurde die C-14 Datierung enorm verbessert. Sie ist die heute üblichere Methode der Altersbestimmung, hat aber die Zählrohrmethode nicht vollkommen verdrängt.
Sie findet Anwendung in der Archäologie, Anthropologie, Klimatologie, Geologie, Ozeanologie. Mit der C-14 Methode kann aber weit mehr als lediglich das Alter eines Objektes bestimmt werden:

Für Umweltschützer ist die Frage wer für die Verschmutzung der Erde durch halogenierte Kohlenwasserstoffe (z.B. FCKW) verantwortlich ist von besonderer Bedeutung. Ist diese Verschmutzung letztendlich natürlich oder vom Menschen verursacht (anthropogen), wie allgemein vermutet?
Mit Hilfe der C-14 Methode kann man dies herausfinden: Weisen im Beschleuniger-Massenspektrometer untersuchte Proben keinen messbaren Anteil an C-14 auf, so sind diese künstlichen Ursprungs. Industriell werden halogenierte Kohlenwasserstoffe nämlich aus fossilen Ausgangsstoffen hergestellt (Erdöl), die viele Millionen Jahre alt sind. Darin enthaltenes C-14 ist also schon längst zerfallen.
Bei halogenierte Kohlenwasserstoffen, die auf natürliche Weise entstehen, z.B. in der Atmosphäre, entspricht der C-14 Gehalt dem der Atmosphäre.