Technische Entwicklungen
Neben der Forschung zu verschiedenen Anwendungen der Beschleuniger-Massenspektrometrie befassen wir uns auch mit neuen Entwicklungen zur Verbesserung dieser Technik. Die meisten unserer aktuellen Forschungsarbeiten stehen dabei im Zusammenhang mit der neuen kompakten AMS-Anlage HAMSTER, die Ende 2023 am HZDR installiert wird. Diese Entwicklungen werden in Zusammenarbeit mit der Zentralabteilung Forschungstechnik am HZDR, der Gruppe für Isotopenphysik der Universität Wien und der Firma National Electrostatic Corp. (NEC) durchgeführt. Unsere Gruppe arbeitet dabei unter anderem an:
- Dem Entwurf neuer Strahlführungselemente zur Optimierung des Ionenstrahltransports.
- Der Programmierung von Software für die automatische Abstimmung und Messung.
- Der Entwicklung der Technik zur laserbasierten Isobarenunterdrückung in einem Ionenkühler (ILTIS; Ion Linear Trap for Isobar Suppression), die in der HAMSTER-Anlage installiert werden soll.
Isobarenunterdrückung durch selektives Laser-Photodetachment
Grundprinzip des Laser-Photodetachments zur Unterdrückung von Isobaren. Die Isobare werden aus dem Ionenstrahl entfernt, wenn die Energie der Photonen höher ist als die Elektronenaffinität der Isobare und niedriger ist als die Elektronenaffinität des Radionuklids.
Die üblichen AMS-Techniken zur Unterdrückung von Isobaren setzen auf Teilchenenergien von mindestens 0.1 MeV/u - für Massenspektrometrie sehr hohe Energien. Die Laser-Photodetachment-Technik wird hingegen auf der Niederenergieseite des Systems angewendet. Einer der Hauptvorteile ist daher, dass dieses Prinzip der Isobarenunterdrückung in jeder AMS-Anlage angewendet werden kann, unabhängig von der maximalen Beschleunigerspannung. Die Technik basiert auf dem Schwellenwert für die Abtrennung eines Elektrons von einem negativen Ion: Ein negatives Ion kann sein zusätzliches Elektron verlieren und somit neutral werden, wenn ein Photon mit einer Energie, die größer oder gleich der Elektronenaffinität (EA) des Ions ist, mit ihm wechselwirkt. Wenn die EA für das AMS-Radionuklid höher ist als die seiner Isobare, können Photonen mit einer Energie zwischen diesen beiden Elektronaffinitäten die Ionen der stabilen Isobare neutralisieren ohne mit dem relevanten Radionuklid zu interagieren.
Eine solche Wechselwirkung findet in einem "Ionenkühler" statt, in dem molekulare und atomare Anionen zuerst elektrostatisch auf kinetische Energien von wenigen 10 eV abgebremst und dann durch eine lineare Paul-Falle, einen mit Puffergas gefüllten Quadrupol, geleitet werden. Die Wechselwirkung mit dem Puffergas bremst die Ionen weiter ab. Auf diese Weise erreicht man Wechselwirkungszeiten von mehreren Millisekunden für die Ionen mit Photonen eines überlagerten Laserstrahls. Einige Beispiele für Ionenpaare, bei denen diese Methode hervorragende Ergebnisse gezeigt hat, sind 26AlO- (EA=2,6 eV) vs. 26MgO- (EA=1,63 eV) und 36Cl- (EA=3,6 eV) vs. 36S- (EA=2,1 eV). Die lasergestützte Isobarenunterdrückung in einem Ionenkühler wird bereits für Routinemessungen von 26Al und 36Cl an der VERA-Anlage der Universität Wien eingesetzt.
Am HZDR wird derzeit mit ILTIS (Ion Linear Trap for Isobar Suppression) an der zweiten Generation eines Ionenkühlers zur Isobarenunterdrückung gearbeitet. ILTIS wird in die neue kompakte AMS-Anlage HAMSTER (Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides) eingebaut werden. Die AMS-Gruppe am HZDR arbeitet außerdem in Zusammenarbeit mit der Gruppe für Isotopenphysik der Universität Wien an der Optimierung der laserbasierten Isobarenunterdrückung für die AMS-Messungen weiterer Radionuklide, wie 41Ca (unter Verwendung des CaF3- Ions), 135,137Cs (unter Verwendung des CsF2- Ions) und 59Ni (unter Verwendung des Ni- Ions) und untersucht zudem verschiedene negative Ionen für die Messung anderer AMS-Radionuklide, wie 53Mn, mittels dieser Methode.
Weiterführende Literatur:
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