Instrumentation
Derzeit werden alle unsere AMS-Messungen an der 6 MV AMS-Anlage des HZDR, DREAMS, durchgeführt. Der 6 MV Tandetron am HZDR ist zudem mit einem SIMS-System verbunden. Dieses ermöglicht es, Super-SIMS-Messungen von Spurenelementen in verschiedenen Materialien durchzuführen. Manche Nutzer senden Proben schon fertig chemisch aufbereitet und in AMS-Targets geladen für die AMS-Messung. Unsere Abteilung verfügt auch über zwei voll ausgestattete Chemielabore, welche Nutzern zur Probenaufbereitung am HZDR ebenfalls zur Verfügung stehen. Diese Labore werden von unserem Team auch für eigene Forschungsprojekte genutzt.
Eine neue AMS-Anlage, HAMSTER, wird 2023/2024 am HZDR installiert. Während DREAMS als große AMS-Anlage gilt, ist HAMSTER eine kompakte AMS-Anlage, die mit einem 1 MV Pelletron betrieben wird. Diese Anlage wird auch das neue System zur laserbasierten Isobaren Unterdrückung, ILTIS, umfassen. Seine Leistungsfähigkeit wird zuvor in unserem neuen Teststand evaluiert. Zur neuen Einrichtung gehören auch zwei Chemielabore für anthropogene Nuklide und Proben mit ultra-niedrigen Nuklidkonzentrationen.
DREAMS (6 MV AMS Anlage)
DREAMS (DRESden Accelerator Mass Spectrometry Facility) ist seit Herbst 2011 in Betrieb. Das System basiert auf einem 6 MV Tandetron von High Voltage Engineering Europa (HVE). Dieser Beschleuniger umfasst zusätzliche Strahlführungen, die unabhängig von anderen Gruppen und Abteilungen des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR verwendet werden.
Die DREAMS-Anlage umfasst zwei verschiedene Ionenquellen. Eine davon ist eine von der Abteilung modifizierte Version der originalen HVE-Ionenquelle, die speziell zur Minimierung von Kontamination zwischen einzelnen Proben entwickelt wurde. Diese Ionenquelle wird hauptsächlich für Radiohalogenid-AMS (36Cl und 129I) verwendet.
Zur Messung von 10Be und 36Cl wird eine Siliziumnitrid-Absorberfolie im Hochenergie-Bereich für eine so genannte Post-Stripping-Isobarenunterdrückung verwendet.
DREAMS wird derzeit für routinemäßige AMS-Messungen von 7Be, 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca, 55Fe und 129I verwendet.
Grundschema der 6 MV AMS-Anlage am HZDR, DREAMS
SIMS und Super-SIMS (SuSI)
Draufsicht auf das Cameca IMS 7fauto SIMS Tool
Die Abteilung betreibt auch ein Sekundärionen-Massenspektrometer (Cameca IMS 7f-auto). Neben der Möglichkeit, herkömmliche SIMS-Messungen durchzuführen, ist das System über den 0°-Port des Bouncer-Magneten mit dem 6 MV Tandetron-Beschleuniger verbunden und bietet die Möglichkeit, sogenannte Super-SIMS Messungen unter Verwendung der Hochenergieseite von DREAMS durchzuführen. Dank dieser Kombination sind Messungen stabiler Elemente im Ultraspurenbereich mit um 2 bis 3 Größenordnungen niedrigeren Nachweisgrenzen im Vergleich zur herkömmlichen SIMS möglich.
Messaufgaben und die Weiterentwicklung des Equipments werden in enger Abstimmung mit dem Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie durchgeführt. Probenanforderungen sind gut polierte und flache, feste Proben mit einem maximalen Durchmesser von 1 Zoll (25,4 mm). Standard-/Referenzmaterialien werden benötigt, um diese Messungen zu kalibrieren.
Teststand
Foto des Teststands vom 16.02.2022
Im Rahmen der Studien zur laserbasierten Isobarenunterdrückung wird ein Teststand aufgebaut. Die Prüfstation besteht aus:
- Einer HVE SO-110 Cs Sputter-Ionenquelle. Diese Quelle hat das gleiche Design wie die originale Ionenquelle, die bei DREAMS installiert ist.
- Ein am HZDR konstruierter achteckiger XY-Steerer, entwickelt nach einer Version, die an der VERA-Anlage der Universität Wien verwendet wird. Die neue, verbesserte Version verfügt uber Fokussiereigenschaften, die denen einer Einzellinse ähneln. Folglich wird sie "Einzelsteerer" genannt.
- Ein magnetischer Dipol, der als Massenseparator oder Massenfilter verwendet wird.
- Die neue Version der laserbasierten Isobarenunterdrückung ILTIS (Ion Linear Trap for Isobar Suppression), die am HZDR in Zusammenarbeit mit der Gruppe für Isotopenphysik der Universität Wien entwickelt wird.
Mit diesem System können wir die Leistungsfähigkeit von ILTIS testen, bevor es in die neue AMS-Anlage integriert wird. Zusätzlich können die Eigenschaften von Ionenstrahlen weiterer Elemente getestet werden.
Chemielabore
AMS-Messungen zur Bestimmung langlebiger Radionuklide ist großteils nur an chemisch vorbehandelten Proben durchführbar, da die Originalproben (Wasser, Gestein, etc.) zu groß sind (100 g - 10 kg), um eine ausreichende Menge an Radionukliden bekommen. Anders formuliert, die typischen Radionuklidkonzentrationen im sub-ppq Bereich sind zu gering, um die Analyse ~1 mg großer Targets zu ermöglichen. Zudem dient die chemische Aufarbeitung als essentieller Schritt der Isobarenunterdrückung und entfernt ggf. auch Radionuklidkontaminationen anderen Ursprungs. So kann z. B. die Analyse des kosmogen gebildeten 10Be im Quarz nur erfolgen, nachdem die Proben von der um mehrere Größenordnungen höheren atmosphärisch produzierten 10Be-Komponente befreit worden sind. Die Präparation von 10Be, 26Al und 41Ca AMS-Targets erfordert die Verwendung von größeren Mengen Salzsäure (HCl) und sollte daher räumlich getrennt von der Präparation von 36Cl und 129I AMS-Target durchgeführt werden, um Kontamination zu vermeiden. Deshalb gibt es seit Herbst 2009 an DREAMS ein Chemielabor, das für die Probenpräparation von 36Cl und 129I reserviert ist.
HAMSTER (1 MV AMS System, in construction)
Ende 2023 plant die AMS-Abteilung am HZDR eine neue kompakte dedizierte AMS-Anlage, HAMSTER (Helmholtz Accelerator Mass Spectrometer Tracing Environmental Radionuclides), zu installieren. Dieses System basiert auf einem Pelletron-Tandembeschleuniger mit einer maximalen Terminalspannung von 1 MV. Die Hauptmerkmale dieses neuen Systems werden sein:
- Zwei verschiedene Niederenergie-Injektionsstrahlführungen. Eines davon wird einen laserbasierten Isobaren-Suppressor, ILTIS (Ion Linear Trap for Isobar Suppression), beinhalten.
- Fähigkeit zur Messung von AMS-Radionukliden in einem breiten Massenbereich (7≤A≤320)
- Ein hochempfindliches Hochenergie-Spektrometer, einschließlich eines zweiten Analysemagneten.
- Super-SIMS wird in die HAMSTER-Anlage integriert.
Ein neues Gebäude, in dem HAMSTER betrieben wird (Gebäude 705 am HZDR, bereits im Bau), wird auch zwei neue Chemielabore beherbergen. Eines wird zur Aufbereitung von kosmogenen Proben verwendet, d.h. für Radionuklide, die auf kosmogene Produktion zurückzuführen sind. Das andere Labor wird Radionukliden anthropogenen Ursprungs gewidmet.
Schema des neuen 1 MV AMS Systems am HZDR, HAMSTER ©National Electrostatic Corp.
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