On the deposition mechanism and irradiation behaviour of molecular plating thin films

Abstract

Superheavy elements are produced by heavy ion fusion reactions using intense beams that irradiate suitable targets. For the heaviest elements, lead/bismuth and actinide targets are primarily used for this purpose. The production of actinide targets has been mainly based on the molecular plating (MP) method for decades.

The MP method is also widely used in the preparation of actinide and lanthanide samples for other research areas. The mechanism of the MP process has not yet been conclusively elucidated. The majority of work on the subject is limited to morphological studies. Spectroscopic studies have been limited to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The reason for this limited spectroscopic data situation is to be found in the special challenges arising from the radioactivity of the actinide samples. Technical restrictions and legal requirements thus prevent access to modern methods, as the relevant laboratories lack the clearance to handle radioactive material. Besides radioactivity, high costs in acquisition and disposal prevent mass experiments, e.g. to optimise electrochemical parameters. Therefore, it is common to limit oneself to experiments on lanthanide samples. The present work was also limited to lanthanide samples, but radioactive tracers could be generated using the Mainz research reactor TRIGA Mark II. In this way, short-lived lanthanide isotopes were used to test working methods and analytical procedures that can also be transferred to future procedures with actinides. The electrochemical production of actinide targets is virtually limited worldwide to the MP process and some closely related methods. Developments in the technically more important field of lanthanide electrochemistry have not been transferred to target production. Thus, the established MP method is still limited by significant deposition of unwanted by-products and thus low maximum deposition rates of desired actinides.

When MP films are irradiated at the heavy ion accelerator, changes in the alpha spectra of the irradiated actinide thin films are a clear spectroscopic indication of chemical changes due to irradiation. Photographs taken before and after the accelerator experiments provide evidence of drastic morphological changes, which has been confirmed by some initial publications on lanthanide substitutes, using scanning electron microscopy (SEM). By understanding the chemical processes involved, it is hoped to improve the quality and stability of the MP targets used.

This dissertation presents two publications on mechanistic studies of lead and lathanide targets, presenting new insights into the MP process and the irradiation behaviour of the thin films. The third publication attempts to adapt established new methods for the electrochemical deposition of lanthanides to the needs of target production and to present the first irradiation tests with these thin films.

Superschwere Elemente werden durch Schwerionen-Fusionsreaktionen unter Verwendung intensiver Strahlen, welche geeignete Targets bestrahlen, erzeugt. Bei den schwersten Elementen werden dazu vor allem Blei/Bismut und Actiniden-Targets eingesetzt. Die Produktion von Actiniden-Targets beruht seit Jahrzehnten hauptsächlich auf der Methode des Molecular Plating (MP).

Das MP Verfahren findet auch bei Präparation von Actiniden- und Lanthaniden-Proben für andere Forschungsgebiete breite Anwendung. Der Mechanismus des MP Verfahrens ist noch nicht abschließend aufgeklärt. Die Mehrheit der Arbeiten zum Thema beschränkt sich auf morphologische Studien. Spektroskopische Studien beschränkten sich bisher auf die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX). Die Ursache für diese eingeschränkte spektroskopische Datenlage ist in den besonderen Herausforderungen zu suchen, die sich aus der Radioaktivität der Actiniden-Proben ergeben. Technische Einschränkungen und gesetzliche Vorgaben verhindern so den Zugriff auf moderne Methoden, da den entsprechenden Laboren die Freigabe für den Umgang mit radioaktivem Material fehlt. Neben der Radioaktivität verhindern hohe Kosten in der Anschaffung und Entsorgung Massenexperimente, um z.B. elektrochemische Parameter zu optimieren. Daher ist es üblich sich auf Experimente an Lanthaniden-Proben zu beschränken. Auch in der vorliegenden Arbeit wurde sich auf Lanthaniden-Proben beschränkt, jedoch konnten mittels des Mainzer Forschungsreaktors TRIGA Mark II radioaktiven Tracer erzeugt werden. So konnten anhand von kurzlebigen Lanthaniden-Isotopen Arbeitsweisen und Analyseverfahren erprobt werden, die sich auch auf zukünftige Verfahren mit Actiniden übertragen lassen. Die elektrochemische Herstellung von Actiniden-Targets ist weltweit quasi auf das MP Verfahren und einige engverwandte Methoden beschränkt. Entwicklungen auf dem technisch wichtigeren Gebiet der Elektrochemie der Lanthanide, wurden für die Target Herstellung nicht übertragen. So ist das etablierte MP Verfahren immer noch durch signifikante Abscheidungen von unerwünschten Nebenprodukten und damit geringen maximalen Abscheidemengen an gewünschten Actiniden eingeschränkt.

Bei der Bestrahlung von MP Filme am Schwerionenbeschleuniger, sind Veränderungen der alpha-Spektren der bestrahlten Actiniddünnfilme ein deutlicher spektroskopischer Hinweis auf chemische Veränderungen durch Bestrahlung. Fotos vor und nach den Beschleunigerexperimenten geben Hinweis auf drastische morphologische Veränderungen, was einige erste Publikationen an Lanthanidsubstituten, mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), bestätigt haben. Durch Verständnis der ablaufenden chemischen Prozesse, erhofft man sich Verbesserungen in der Qualität und Stabilität der verwendeten MP Targets.\\

Die vorliegende Arbeit präsentiert zwei Publikationen zu mechanistischen Studien an Blei- und Lathanidtargets, in denen neue Erkenntnisse zum MP Verfahren und zum Bestrahlungsverhalten der Dünnfilme präsentiert werden. Die dritte Publikation versucht etablierte neue Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung von Lanthaniden, an die Bedürfnisse der Targetherstellung anzupassen, sowie erste Bestrahlungstests mit diesen Dünnfilmen zu präsentieren.