Fluorides matrices development for Accelerator Mass Spectrometry

Abstract

Accelerator Mass Spectrometry (AMS) is one of the most sensitive analytical methods for the determination of rare radionuclides occurring in the environment. Not only the method, but also the selection and preparation procedure of the suitable target material and the beamline settings are crucial for the sensitivity and selectivity of the AMS measurement. With this method it is possible to measure the isotopic ratios of the rare radionuclide to the stable one down to values of 10-16 and use such information to trace the environmental processes or identify the origin of the nuclide. To obtain these and even lower values, it is desirable to prepare the target material which provides high ion currents and ionisation yields values over shorter sputtering times, resulting in the low detection limits required for environmental analyses. This work is focused on the preparation, characterisation and detection of the aluminium and plutonium fluoride target materials that can be used in AMS as an alternative to the routinely used oxide matrices. The first part of the thesis describes the preparation of an aluminium fluoride target material based on Na3AlF6. This material has been tested as a potential target material for 26Al determination. Routine AMS measurements of 26Al/27Al isotopic ratios are performed by using Al2O3 target material and subsequent extraction of Al- ions from the ion source. During these measurements, the interfering 26Mg isobar is suppressed, as magnesium does not form sufficiently stable Mg- ion, but the intensity of the 26Al- current is significantly lower compared to molecular ions such as 26AlO- , which extraction is inapplicable at the most AMS systems due to the formation of interfering 26MgO- . The Na3AlF6 based material was tested on three different systems, initially on Tandetron and MILEA, where the ion beam was analysed and characterised in terms of intensity of the extracted ion current of 27AlF4 - , possible magnesium interferences, transmission and ionisation efficiency, and of the 26Al/27Al isotopic ratio measurements. The matrix was afterwards tested on the Ion-Laser InterAction Mass Spectrometry (ILIAMS) system (VERA, Vienna) utilizing the laser technique to suppress the magnesium interference. The second part of the thesis is dedicated to the plutonium analyses using the MILEA AMS system. These measurements included 239Pu fluoride and oxide target material background analyses with the HE ESA and HE2 magnet scans, focusing on the contribution of 238U to the 239Pu signal and the detection efficiency tests. Further analyses were devoted to the 239/242Pu, 240/242Pu, 240/239Pu, 244/242Pu isotopic ratio measurements, the first plutonium measurements on the MILEA system in Řež. Overall, this work provides a detailed ion beam analysis of the prepared target materials where the fluoride matrices proved higher ion currents and ionisation yields of 27AlF4 - and 239PuF4 - compared to the AlO- , Al- or PuO- extracted from the oxide target materials. More specifically, about two orders of magnitude higher for AlF4 - compared to the Al- ions extracted from Al2O3 (measured on MILEA) and 4 times higher value compared to the AlO- ions when using the ILIAMS system. For plutonium measurements on MILEA, the detection efficiency of PuF4 - extracted from plutonium fluoride reached twice that of the value than for the PuO- from oxides. This comparison proved a great potential for the use of fluoride target materials for routine environmental analysis, especially in terms of reaching lower detection limits and reducing analysis time.Urychlovačová hmotnostní spektrometrie je jednou z nejcitlivějších analytických metod pro stanovení vzácných radionuklidů vyskytujících se v životním prostředí. Citlivost a selektivita této metody je dosažena nejen její instrumentací, ale také volbou vhodné terčové matrice, způsobem její přípravy a optimalizovaným nastavením detekční trasy. Díky tomu lze pak metodou AMS měřit izotopové poměry vzácného radionuklidu ke stabilnímu až do hodnot 10-16 a využitím těchto výsledků stopovat přírodní procesy nebo určit původ nuklidu v životním prostředí. K dosažení takto nízkých hodnot je nutné připravit terčový materiál, který poskytuje vysoké iontové proudy a iontové výtěžky za krátkou dobu odprašování, což vede k nízkým detekčním limitům požadovaných pro environmentální analýzy. Tato práce je zaměřena na přípravu, charakterizaci a detekci terčových materiálů fluoridů hliníku a plutonia, které lze použít v AMS jako alternativa k běžně používaným oxidickým matricím. V první části práce je popsána příprava terčového materiálu na bázi kryolitu (Na3AlF6) pro stanovení 26Al, které lze využít pro izotopovou charakterizaci meteoritů a hornin nebo v paleoklimatických studiích pro datování polárního ledu. Při běžných AMS analýzách jsou k měření izotopických poměrů 26Al/27Al používány terčové matrice Al2O3, ze kterých jsou extrahovány Al- ionty. Tato měření nejsou ovlivněna izobarickou interferencí hořčíku, jelikož netvoří dostatečně stabilní Mg- ionty, nicméně intenzita proudů 26Al- je výrazně nižší ve srovnání s molekulárními ionty 26AlO- , jejichž extrakce je u většiny AMS systémů nepoužitelná z důvodu tvorby izobarických 26MgO- . Terčový materiál na bázi Na3AlF6 byl testován na třech různých systémech. Nejprve na systému Tandetron, kde byla analyzována nízkoenergetická a vysokoenergetická spektra s cílem určit intenzitu nejintenzivnějšího píku fluoridu hliníku, 27AlF4 - , a také identifikovat interferenci odpovídající hmotnosti 102 AMU (26AlF4 - ). Následně na 300 kV AMS systému MILEA, kde byl materiál charakterizován z hlediska intenzity iontového proudu 27AlF4 - , transmise a účinnosti ionizace. Při následném měření izotopického poměru 26Al/27Al se na hmotnosti 102 AMU objevila silná interference hořčíku, která měření znemožnila, ale podařilo se ji odstranit na systému ILIAMS (VERA, Vídeň) pomocí laserové techniky a kolizemi v reakčním plynu. Druhá část práce je věnována analýzám plutonia pomocí systému AMS MILEA. Tato měření zahrnují stanovení míry přeslechu 238U do signálu 239Pu pro fluoridy i oxidy plutonia pomocí HE ESA a HE2 magnet skenů a také porovnání účinnosti detekce obou materiálů. Další analýzy byly věnovány měřením izotopových poměrů 239/242Pu, 240/242Pu, 240/239Pu, 244/242Pu, prvním měřením plutonia na systému MILEA v Řeži. Tato práce poskytuje především podrobnou analýzu chování připravených terčových materiálů, kde fluoridové matrice prokázaly vyšší iontové proudy a výtěžky ionizace iontů 27AlF4 - v porovnání s Al- o dva řády vyšší na přístroji AMS MILEA a čtyřikrát vyšší hodnotu ve srovnání s ionty AlO- při použití systému ILIAMS. Měřením plutonia na AMS MILEA dosáhla účinnost detekce PuF4 - dvojnásobné hodnoty v porovnání s PuO- iontů extrahovaných z oxidické matrice. Toto srovnání prokázalo velký potenciál pro využití fluoridových terčových materiálů pro budoucí rutinní analýzy v oblasti životního prostředí, zejména z hlediska dosažení nižších detekčních limitů a zkrácení doby analýzy.