Characterization and modification of a buffer-gas-cell for rapid extraction of short-lived isotopes for use in gas-phase chemistry experiments at TASCA
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Die Anwendung von effizienten, gasgefüllten Thermalisationskammern sind die am
häufigsten verwendeten Schnittstellen für eine Vielzahl von anspruchsvollen chemischen
Experimenten mit superschweren Elementen. Sie können direkt hinter dem Target oder alternativ hinter einem Rückstoßseparator installiert werden. Trotz Limitierungen dieser auf Gasfluss basierten Überführung der thermalisierten Reaktionsprodukte von der Gas-Stopp-Zelle hin zum chemischen Experiment, finden sie aufgrund ihrer hohen Extraktionseffizienz eine breite Anwendung. Die flussratenabhängige
Extraktionsgeschwindigkeit limitiert bisher ein Zugang zu Nukliden mit einer
Halbwertszeit von kleiner als etwa einer Sekunde. Der neuartige Ansatz in dieser
Arbeit präsentiert eine schnelle Extrakion mit einer Extraktionszeit von einigen
zehn ms und den ersten erfolgreichen Transport von nicht flüchtigen Elemente wie
beispielsweise Francium (Fr) hin zur Detektoreinheit. Hierfür wurde zum ersten
Mal eine Gas-Stopp-Zelle mit überlagerten elektrischen Feldern (Gleichstrom und
Hochfrequenz) mit dem Gasphasenchromatographieaufbau COMPACT gekoppelt.
Hierfür wurde eine Weiterentwicklung des bekannten COMPACT-Detektors, dem
sogenannten miniCOMPACT-Detektor, eingeführt, womit die effiziente Kopplung zur
schnellen Extraktion von nicht-flüchtigen Elementen gelang. Die erzielte Extraktionszeit
von unter 55 ms ist fast um einen Faktor zehn schneller als mit bisherigen auf
Gasfluss basierten Überführungstechniken bei vergleichbaren Extraktionseffizienzen.
Zusätzlich wurde die Gas-Stopp-Zelle bezüglich ihrer Extraktionseffizienz und Extraktionsgeschwindigkeit ausführlich mit etablierten Methoden charakterisiert. Hierfür
kamen Ra-223- und Ac-225-Rückstoßionenquellen, welche Rn-219 und Fr-221 lieferten,
zum Einsatz.
Darüber hinaus wurde die neuartige Kopplung dieses Systems bestehend aus dem
weiterentwickelten miniCOMPACT und der Gas-Stopp-Zell mit überlagerten elektrischen
Feldern erfolgreich in On-line Experimenten mit Hg-, Fr- und At-Isotopen
charakterisiert. Diese Experimente erlaubten die chemische Studie von kurzlebigen
alpha-zerfallenden Radioisotopen in Ar-40- und Ca-48-induzierten Fusionsreaktionen. Im
Rahmen dieser Studien konnten Extraktionseffizienzen von mehr als 23% erreicht werden,
welche in der gleichen Größenordnung liegen wie für die Rückstoßionenquellen.
Diese Arbeit bestätigt die Anwendbarkeit dieser neuartigen Kopplung im Bereich
der schwersten Elemente unter den erschwerten Bedingungen der geringen Produktionsraten und der kurzen Halbwertszeit. Sie ebnet somit den Weg für chemische
Experimente jenseits von Flerovium, welches das derzeit schwerste für chemische
Experimente zugängliche Element ist.