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First photodetachment measurements of slow negative molecules for AMS

Andreas Kalb

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Lehramtsstudium UF Mathematik UF Physik

Betreuer*in

Robin Golser

Mitbetreuer*in

Johannes Lachner

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DOI

10.25365/thesis.47368

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-28721.49875.974552-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Konventionelle 26Al-Messungen mit Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) nützen den Vorteil, dass das Isobar 26Mg keine negativen Ionen bildet und somit die Messung nicht beeinträchtigt. Wird AlO- aus der Ionenquelle extrahiert, ist der Strom 10- bis 20-mal höher, jedoch bildet das Isobar MgO- negative Ionen, welche mit herkömmlichen Massenspektrometern nicht separiert werden können. Am Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) wurde ein neuer Aufbau zur Ionen-Laser-InterAction-Massenspektrometrie (ILIAMS) für die Isobarenunterdrückung mittels selektiven Photodetachments entwickelt und am bestehenden Beschleuniger-Massenspektrometer integriert. Bei dieser Methode wird ausgenützt, dass die zwei Isobare verschiedene Elektronenaffinitäten (EA) besitzen um das störende Isobar zu neutralisieren. Hierzu wird ein Laser verwendet, dessen Photonenenergie zwischen den Elektronenaffinitäten des Isobarenpaars liegt. Um die Wechselwirkungszeit der Ionen und des Lasers zu erhöhen, werden die Ionen elektrostatisch und durch Kollisionen mit einem Heliumpuffergas abgebremst und von einem Radiofrequenzquadrupol (RFQ) im sogenannten Ionenkühler eingefangen. In der vorliegenden Diplomarbeit wurde ILIAMS für eine erste Anwendung, die Isobarentrennung von 26Al16O- (EA=2.60eV) und 26Mg16O- (EA=1.62eV), getestet. Dabei wurde ein grüner Laser (532nm Wellenlänge) mit 2.33eV Photonenenergie für die Neutralisierung des Magnesiumoxidions verwendet. Im Rahmen der Arbeit wurden Testungen bezüglich der Landungszustandsverteilung und der Strahltransporteffizienz des neuen Aufbaus von VERA vorgenommen. Wechselwirkungen im RFQ-Ionenkühler des molekularen Strahls wurden untersucht und es zeigte sich, dass MgO- empfindlich bezüglich der Aufenthaltsdauer im Ionenkühler ist und durch Erhöhung des Druckes des Puffergases Helium um fünf bis sechs Größenordnungen unterdrückt werden kann (ohne Mitwirken des Lasers). Insgesamt wurde mit ILIAMS eine Unterdrückung von Magnesium von 4x 1013 erreicht. Nachdem die Methode erfolgreich bestätigt wurde, bildete den Abschluss der Diplomarbeit eine Messung über mehrere Tage von Standards, Blanks und unbekannten Aluminiumproben mit 26Al/27Al Verhältnissen in der Größenordnung 10-14 und 10-13, wobei relative Unsicherheiten von ~8% erreicht werden konnten und die Ergebnisse früherer konventioneller Messungen der selben Proben bestätigt wurden.

Abstract

(Englisch)

Conventional 26Al measurements with Accelerator Mass Spectrometry (AMS) have the advantage that the isobar 26Mg does not form negative ions and thus does not affect the measurement. However, by extracting the molecular form AlO- the source output is 10 to 20 times higher than of Al-. The isobar MgO- does form negative ions, though, and cannot be separated by a conventional mass spectrometer. At the Vienna Environmental Research Accelerator (VERA), a new setup - the Ion Laser InterAction Mass Spectrometer (ILIAMS) - for isobar suppression by selective photodetachment was established and integrated into the beam line of the accelerator. With this approach, the difference of electron affinity (EA) of the isobar pair is exploited, so as to neutralise the interfering isobar by a laser overlap, which has a photon energy between the respective EA of the two isobars. In order to increase the ion laser interaction time, the ions are decelerated electrostatically and by collisions with a helium buffer gas, and trapped by a Radio Frequency Quadrupole (RFQ) in the so-called ion cooler. In the diploma thesis on hand ILIAMS was tested for a first application, the isobar separation of 26Al16O and 26Mg16O. The electron affinities of 26Al16O- and 26Mg16O- are 2.60eV and 1.62eV, respectively. A green laser (532nm wavelength) with a photon energy of 2.33eV was applied for the detachment of 26Mg16O-. Tests on the charge state distribution and beam transport efficiency of the new beam line were made. Interactions of the molecular beam in the RFQ cooler were investigated and it turned out that MgO- is sensitive for the residence time in the cooler and can be suppressed by increasing the helium pressure and an appropriate guiding field by a factor of 10^5 to 10^6 (without laser). An overall suppression of magnesium by ILIAMS of 4x10^13 could be achieved. After the principle was proven, the project was completed by conducting a long term measurement over four days of standards, blanks and unknown aluminium samples with a 26Al/27Al ratio in the order of 10-14 and 10-13 with relative uncertainties of ~8% and succeeded in reproducing the values measured in earlier conventional AMS measurements of the same material.

Autor*innen

Andreas Kalb

Haupttitel (Englisch)

First photodetachment measurements of slow negative molecules for AMS

Paralleltitel (Deutsch)

Erste Anwendung von Photodetachment bei langsamen negativen Molekülen

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

vi, 62 Seiten : Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Robin Golser

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.40 Kernphysik

AC Nummer

AC15029729

Utheses ID

41919

Studienkennzahl

UA | 190 | 406 | 412 |

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Schlagwörter