Beschleunigermassenspektromitrie Einrichtung

Ionenquelle

Um einen Ionenstrahl zu erzeugen wird eine Ionenquelle verwendet. An der AMS Anlage des Maier-Leibnitz-Labors werden hierfür Cäsium-Sputter Quellen vom Middleton-Typ verwendet. Die Abbildung zeigt eine Skizze so einer Quelle.

Das Maier-Leibnitz-Labor verfügt über einen 14 MV Tandem Van-de-Graff Beschleuniger. Der 25 Meter lange Tank ist mit 7 Bar Schwefelhexafluorid gefüllt, das vor Überschlägen schützt. Die negativ geladenen Ionen werden zum Hochspannungsterminal in der Mitte des Tanks hin beschleunigt. Hier liegen Spannungen von bis zu 14 Millionen Volt an. Die Ionen durchqueren nun eine dünne Kohlenstoff-Folie, wo sie mehrere Elektronen verlieren (Stripping). Das Bohrsche Atommodell macht die Vorhersage, dass alle Elektronen mit einer Umlaufgeschwindigkeit um den Atomkern, die kleiner ist als die Geschwindigkeit des Ions beim durchqueren der Folie gestrippt werden. In der Realität entstehen jedoch verschiedene Ladungszustände. An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass keinerlei Moleküle des Strip-Prozess überleben, da das Gleichgewicht zwischen Bindungselektronen und Coulombabstoßung der Atomkerne durch den Strip-Prozess gestört wird. Man spricht von einer Coulomb-Explosion. Dies ermöglicht AMS Messungen komplett ohne molekularen Untergrund. Anschaulich heißt dies, dass bei AMS nicht die Gefahr besteht, ein gewünschtes Isotop mit einem Molekül zu verwechseln, z.B.Eisen-60 mit einem Cluster aus 5 Kohlenstoff-12 Atomen, die zusammen auch die Masse 60 hätten. Nach dem Strip-Prozess werden die nun mehrfach positiv geladenen Ionen vom Hochspannungsterminal weg beschleunigt und erreichen so typischerweise Energien in der Größenordnung von 100 MeV.

Tandem Beschleuniger

Um kleinste Spuren von Radioisotopen im Probenmaterial zu finden, müssen einzelne Teilchen im Ionenstrahl identifiziert werden. An der AMS Anlage im MLL kann dies mit Hilfe der folgenden Systeme erreicht werden. Geschwindigkeit: Die Geschwindigkeit der Ionen kann bestimmt werden, indem man die Zeit misst, die die Ionen benötigen, um eine bekannte Strecke zurück zu legen. Diese Methode wird Time-Of-Flight (TOF) Messung genannt. Als Start-Signal wird ein Micro Channel Plate Detektor (MCP)
verwendet. Die Ionen durchqueren hier eine dünne Kohlenstoff Folie und schlagen in dieser Elektronen heraus, die im MCP vervielfacht werden und als Elektronisches Signal detektiert werden. Als Stop-Signal kann man ein weiteres MCP verwenden, es gibt aber andere Möglichkeiten, wie wir noch sehen werden.

Detektorsystem

Um kleinste Spuren von Radioisotopen im Probenmaterial zu finden, müssen einzelne Teilchen im Ionenstrahl identifiziert werden. An der AMS Anlage im MLL kann dies mit Hilfe der folgenden Systeme erreicht werden.

Geschwindigkeit: Die Geschwindigkeit der Ionen kann bestimmt werden, indem man die Zeit misst, die die Ionen benötigen, um eine bekannte Strecke zurück zu legen. Diese Methode wird Time-Of-Flight (TOF) Messung genannt. Als Start-Signal wird ein Micro Channel Plate Detektor (MCP) verwendet. Die Ionen durchqueren hier eine dünne Kohlenstoff Folie und schlagen in dieser Elektronen heraus, die im MCP vervielfacht werden und als Elektronisches Signal detektiert werden. Als Stop-Signal kann man ein weiteres MCP verwenden, es gibt aber andere Möglichkeiten, wie wir noch sehen werden.
Energieverlust: In Ionisationskammern, die mit einem Detektorgas (z.B.) Isobutan gefüllt sind, kann der Energieverlust der Ionen im Gas gemessen werden. Hierzu befindet sich in der Kammer ein Kondensator, der die Elektron- Ion Paare, die beim durchqueren von Ionen im Gas entstehen absaugt.
Gesamtenergie: Um die gesamte kinetische Energie der Ionen zu messen kann ein Silizium-Halbleiter-Sperrschicht-Detektor verwendet werden. Ein Ion, das auf diesen trifft verliert seine gesamte kinetische Energie an die Erzeugung von Elektron-Loch Paaren in Halbleiter. Dieses Signal kann auch als Stop Signal für die TOF Messung benutzt werden.
Isobarenunterdrückung: Eine sehr wichtige Herausforderung bei AMS ist die Unterscheidung des Isotops, das für die Messung interessant ist, also z.B. Eisen-60, von anderen, gleich schweren, stabilen Isotopen, also z.B. Nickel-60. Dies kann durch die Verwendung des GAMS (Gas-Filled Analyzing Magnet Setup) erreicht werden. Dieser mit einigen mbar Stickstoff gefüllte Dipolmagnet dient dazu Isobare (also gleich schwere Ionen verschiedener chemischer Elemente) auf verschiedene Bahnradien zu zwingen und somit räumlich zu trennen. Dies wird erreicht, da sich durch die Interaktion der Ionen mit dem Stickstoffgas ein neuer Ladungszustand für die Ionen einstellt, der davon abhängig ist, welches Element vorliegt. So erhalten unterschiedliche Isobare unterschiedliche Ladungen, und somit auch unterschiedliche Radien beim Durchlaufen des Magnetfeldes.