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44Ti-AMS detection of a new trace isotope for astrophysics
David Krebs
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Karin Hain
Mitbetreuer*in
Martin Martschini
DOI
10.25365/thesis.81336
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14502.21245.226288-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Radioisotop 44Ti mit seiner kurzen Halbwertszeit von 58,9±0,3 Jahren wurde bisher nur in zwei Supernova-Überresten nachgewiesen: Cassiopeia A (Cas A) und SN1987A, sowie in einigen Meteoritenproben. Als wichtiger Indikator für stellare Nukleosynthese-Prozesse bietet 44Ti einzigartige Einblicke in Supernova-Explosionen, da es nur wenige hundert Jahre nach der Explosion nachweisbar bleibt. Allerdings gibt es eine Diskrepanz zwischen Beobachtungen und theoretischen Modellen: Gamma-Messungen zeigen etwa (160±60) μM⊙ an 44Ti in Cas A, was um einen Faktor 2-10 höher ist, als von aktuellen Supernova-Nukleosynthese-Modellen vorhergesagt. Diese Diskrepanz stammt sowohl von grundlegenden Mängeln in unserem Verständnis von Kernkollaps-Supernovae und von unvollständigem Verständnis der Kernreaktionsquerschnitte, insbesondere für die primäre Produktionsreaktion 40Ca(α,γ)44Ti. Accelerator Mass Spectrometry (AMS; zu deutsch Beschleuniger-Massenspektrometrie) ermöglicht den Nachweis seltener Isotope durch direktes Zählen einzelner Atome und bietet überlegene Sensitivity (dt. Empfindlichkeit) für langlebige oder sehr seltene Radionuklide. Die Messung von 44Ti mittels AMS stellt jedoch eine Herausforderung dar: Das stabile Isobar 44Ca, das in alltäglichen Materialien einschließlich Staub und menschlichem Schweiß häufig vorkommt, interferiert mit der Detektion. Traditionelle AMS-Anlagen benötigten hohe Beschleunigerspannungen (≥6 MV), um ausreichend Energie für die Unterscheidung von 44Ti und 44Ca in Detektoren durch ihre unterschiedlichen Energieverlustcharakteristiken zu erreichen. Der einzigartige Ion-Laser InterAction Mass Spectrometry (ILIAMS) Aufbau am Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) bietet einen alternativen Ansatz durch selektive Isobar-Unterdrückung. ILIAMS verwendet einen Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) Ionenkühler, der mit Puffergas gefüllt ist, wobei Laser-Photodetachment und kollisionsinduzierte Wechselwirkungen interferierende CaO−-Ionen unterdrücken können, während die gewünschten TiO−-Ionen weitgehend unbeeinflusst bleiben. Diese Arbeit entwickelte neue AMS-Methoden für den Nachweis von 44Ti am 3 MV Tandem-Beschleuniger von VERA. Durch das Paul Scherrer Institut (PSI) wurden 12 kBq 44Ti bereitgestellt und mit stabilem Ti verdünnt, um interne Standards zu erstellen. Ein einfaches chemisches Aufbereitungsverfahren wurde angewendet und TiO2-Material mit 44Ti/48Ti-Verhältnissen im Bereich von 5e-10 bis 5e-12 wurde präpariert und mit AMS zusammen mit Prozess-Blanks gemessen. Eine bemerkenswerte Unterdrückung des 44Ca-Isobars wurde durch verschiedene komplementäre Mechanismen erreicht. Der RFQ-Ionenkühler lieferte eine Unterdrückung von über 1e6. Zusätzlich demonstrierte ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) Laser bei 1325 nm eine weitere Unterdrückung von etwa 1e5. Darüber hinaus lieferte der Detektor einen zusätzlichen Trennfaktor von etwa 100 durch Ausnutzung unterschiedlicher Energieverlustprofile von 44Ti3+ und 44Ca3+. Die kombinierte Unterdrückungsfähigkeit übersteigt potenziell 1e8 und könnte mit Installation des OPO-Lasers 1e13 erreichen. Selbst hergestellte 44Ti-Standards zeigten nach Normierung eine Übereinstimmung innerhalb von 40% mit ihren nominellen Werten. Das etablierte Detektionslimit von 1,24e-13 (44Ti/48Ti) liegt etwa einen Faktor 12 über den besten Literaturwerten von ≈1e-14, die an größeren 14 MV Anlagen erreicht wurden. Dies demonstriert die VERA-ILIAMS-Fähigkeit zur Messung von 44Ti-Proben im Bereich von 1e-13 (44Ti/48Ti), wie beispielsweise existierende Proben aus kernphysikalischen Experimenten am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Weitere methodische Verbesserungen sind jedoch erforderlich, um die bestmögliche Empfindlichkeit bei VERA zu erreichen. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Untersuchungen der 40Ca(α,γ)44Ti-Reaktion und validiert VERA-ILIAMS als einzigartige Anlage zur Untersuchung stellarer Nukleosynthese durch Präzisionsmessungen seltener Isotope, die zuvor nur an den größten AMS-Anlagen zugänglich waren.
Abstract
(Englisch)
The radioisotope 44Ti, with its 58.9-year half-life, serves as a unique tracer for stellar nucleosynthesis. Detected in only two supernova remnants (Cas A and SN1987A) and some meteorites, it offers rare insights into explosion mechanisms. However, Cas A observations show (160±60) μM⊙ of 44Ti, 2–10 times higher than models predict, pointing to gaps in the understanding of core-collapse supernovae or the 40Ca(α, γ)44Ti reaction cross sections. Accelerator Mass Spectrometry (AMS) enables rare isotope detection through direct atom counting, but measuring 44Ti is challenging due to interference from the stable isobar 44Ca. Conventionally, AMS requires ≥6 MV accelerators for separation. The Ion-Laser InterAction Mass Spectrometry (ILIAMS) setup at the Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) facility offers an alternative through selective isobar suppression using laser & gas interactions with ions in a gas-filled cooler. This work developed new AMS methods for detecting 44Ti at VERA’s 3 MV accelerator. Using 12 kBq of 44Ti from PSI, in-house standards with 44Ti/48Ti ratios of 5e-10 to 5e-12 were prepared and measured. Remarkable suppression was achieved through complementary mechanisms: the RFQ ion cooler via gas interaction (factor ≥ 1e6), an OPO laser at 1325 nm (factor ≈ 1e5), and detector separation (factor ≈100). Combined suppression potentially exceeds 1e13 with full laser implementation. The standards showed internal consistency within 40% of nominal values. The detection limit of 1.24e-13 is approximately 12 times higher than best literature values (∼ 1e-14 at 14 MV facilities), demonstrating VERA-ILIAMS capability for 44Ti measurements while indicating room for improvement. This thesis has thus not only established a new analytical capability at VERA but has also made a tangible contribution to the tools available for exploring stellar nucleosynthesis.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Beschleuniger-Massenspektrometrie nukleare Astrophysik Titan Titan-44 44-Ti
Schlagwörter
(Englisch)
accelerator mass spectrometry nuclear astrophysics Titanium Titanium-44 44-Ti
Autor*innen
David Krebs
Haupttitel (Englisch)
44Ti-AMS detection of a new trace isotope for astrophysics
Paralleltitel (Deutsch)
44Ti-AMS-Nachweis eines neuen Spurenisotops für die Astrophysik
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
vii, 68 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Karin Hain
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.40 Kernphysik
AC Nummer
AC17909329
Utheses ID
80282
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |