Development of the Lund AMS facility for the detection of Al-26 -- with applications in plant ecology

Abstract

Accelerator mass spectrometry (AMS) is a highly sensitive technique to count atoms. The method has a high efficiency, which makes it possible to measure small samples in a relatively short time, usually less than an hour. During the work for this thesis, methods have been developed to detect Al-26 at the Lund AMS facility. This includes the design, installation and testing of a new injector that is used mainly for Al-26 ions with the Pelletron accelerator at the Department of Physics, Lund. Al-26 is rare in nature and, as the natural background can therefore be ignored, well suited for tracer measurements. The long half life, 717 000 year, makes it difficult to measure Al-26 by conventional decay counting but is well suited for AMS measurements. A new, high resolution, 90°-injector has been installed in addition to the existing 15°-injector. The low mass resolution of the old 15°-injector allowed energy tails from MgH to pass the injector and, after being split during the stripping process, Mg-26 is able to enter the detector. This is the limiting factor for Al-26 measurements with the 15°-injector. For the new injector high quality energy- and mass-resolution is obtained by a 90° electrostatic energy analyser combined with a 90° magnetic mass analyser. Results of Al-26 measurements with the existing 15°-injector as well as with the new 90°-injector are presented. This injector has a more than ten times better resolution than the old 15°-injector. The new injector has proven to efficiently remove the troublesome isobar Al-26. Methods for preparing aluminium samples for the AMS ion source have been developed, both for chemically pure samples as well as for plant samples. The samples are dissolved in an acid to insure a homogeneous mixture of the Al-26 from the sample and the added Al-27 carrier. By heating the samples the Al is oxidised to Al2O3, which is a suitable material for AMS samples. As the amount of carrier is known, the content of Al-26 can be calculated. Plant samples have been grown in a controlled Al-26 environment with different levels of Ca or (Mg + K), in addition to 100 uM of Al-27, to investigate Al uptake. After one week of growth the Al-26 levels were measured with AMS. The concentration in the plants was found to be considerable, but did not differ between the treatments.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Utveckling av AMS-systemet i Lund för detektion av 26Al – med tillämpningar inom växtekologin



Den konventionella metoden för att mäta mängden radioaktivt material i ett prov är att detektera strålningen som kommer från provet. Om man vet halveringstiden (den tid det tar för mängen radioaktivt material minska till hälften) så kan man bestämma antalet radioaktiva atomer i provet. Sönderfallsmätning är en väletablerad metod, allmänt tillgänglig och dessutom relativt billig. Sönderfallsmätning är ofördelaktig om halveringstiden av ämnet man vill mäta är för lång eller om den tillgängliga provmängden är för liten. Man kan helt enkelt inte samla in tillräckligt mycket information från provet.



Acceleratormasspektrometri (AMS) är en mycket känslig metod för att mäta enskilda atomer i prov, metoden har störst fördelar för prov med låg koncentration eller om man vill mäta en långlivat ämne. Med AMS accelererar man istället atomerna till hög energi med hjälp av en partikelaccelerator, varefter man detekterar själva atomerna en och en. Fördelen att detektera atomerna istället för strålningen de skickar ut vid sönderfallen är att man får högre effektivitet, vilket gör det möjligt att mäta mindre och svagare prov.



Det finn's ett 50-tal AMS-anläggningar i världen, varav en i Lund. AMS-anläggningen i Lund mäter regelbundet prov med 14C och 59Ni. Den vanligaste isotopen som använd's inom AMS är 14C som utnyttja's inom mycket varierande områden som arkeologi, biomedicin, klimatologi, konst och miljöforskning. 59Ni använd's till att kartlägga mängden radioaktivt nickel i använda delar från kärnkraftverk, något som påverkar hur det kommer att slutförvara's.



Aluminium-26, 26Al, är en radioaktiv variant av aluminium som har en neutron mindre i kärnan jämfört med vanligt aluminium, 27Al. 26Al har en lång halveringstid, 717 000 år, vilket gör att den är svår mäta med sönderfallsmätning. Även om 26Al är något lättare än vanligt aluminium, så kommer den att bete sig likadant i kemiska och biologiska system. 26Al förekommer endast i extremt små mängder i naturen, vilket gör att den naturliga bakgrunden kan försumma's. Lägger man till 26Al i ett prov, till exempel i en växt, så kommer den tillagda mängden helt dominera över den naturliga förekomsten och all 26Al som man hittar i växten kommer från det man har själv tillsatt. Detta gör att 26Al med fördel kan använda's till att spåra upptagsvägar och till att kartlägga var aluminium lagra's i t. ex. människor och växter.



Aluminium är intressant att studera då man vet att det är giftigt, både för växter och djur. Vissa växter klarar av att skydda sig för höga nivåer av aluminium i marken, men det är inte känt i detalj hur de gör det. Problemen uppstår framförallt i sura lövskogar i västvärlden på grund av utsläpp från industrier, surt regn. Försöker man använda vanligt aluminium till att kartlägga upptag, så är det svårt att veta varifrån det aluminium man mäter kom ifrån. Dessutom måste man använda relativt höga nivåer av aluminium vilket kan störa de naturliga biologiska processerna, något man undviker med 26Al. Det är även intressant att studera aluminium i människor. Intaget av aluminium sker via maten. Kroppen kan skydda sig väl mot aluminium och nästan allt åker ut med urinen. Vissa människor med njurproblem kan dock samla på sig höga nivåer av aluminium. Man vet att aluminium är kopplad till olika sjukdomar, t.ex. Crohn's sjukdom. Det kan även finna's en koppling mellan aluminium och Alzheimer's sjukdom. AMS-anläggningen i Lund har anpassat's för att kunna mäta 26Al. För att kunna göra detta, har en ny injektor installerat's. Injektorn är den del av anläggningen som finn's före acceleratorn, se figur label{3.lundam's}. Från provet som skall mäta's, skapa's en negativt laddad jonstråle i en jonkälla. Denna sitter placerad först i den nya injektorn. Man skapar en jonstråle som har en välbestämd energi med hjälp av en elektrostatisk avböjare. En magnet väljer ut den massa som är intressant, för 26Al ställer man in massa 26u. Efter injektorn accelerera's jonerna till hög positiv potential, ca 2,5 miljoner volt, med hjälp av acceleratorn (kallad Pelletron). Mitt i acceleratorn får jonerna passera ett tunt kolfolie vilket får jonerna att tappa ett antal elektroner så jonerna ”strippa's” till positiva joner. Därefter accelerera's de ytterligare en gång till ungefär 0,1 % av ljushastigheten. För att sortera bort ”skräp” som följer med de joner som man vill undersöka, tar man hjälp av olika elektriska och magnetiska fält. Detta ”skräp” kan till exempel bestå av andra ämnen som har samma massa som det man vill titta på, för 26Al finn's det till exempel 26Mg, men även molekyler som 13C2 som kan störa mätningarna. Eftersom 26Mg inte bildar negativa joner så undviker man dem lätt med AMS. Eventuella molekyler med samma massa undviker man genom strippningen där dessa slå's sönder. Till sist detekterar man jonerna en och en. Noggrannheten på AMS anläggningen är mycket hög. I Lund kan vi mäta isotopskillnader i aluminium på 1012. Detta innebär att det finn's en 26Al atom på 1’000’000’000’000 27Al atomer, vilket kan jämföra's med att leta efter ett enda sandkorn i en stor sandlåda. I den här avhandlingen beskriv's planeringen, installationen och utprovningen av den nya injektorn för Pelletronacceleratorn. Denna injektor har utvärderat's och anpassat's för AMS-mätningar med 26Al. En del av arbetet har bestått av att utveckla en kemiproces's för att kunna få lämpliga AMS-prov med aluminium. I ett växtförsök har 26Al tillsatt's i vete för att kartlägga upptaget av aluminium då det får växa i olika omgivningar.

• author: Faarinen, Mikko
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Olsson, Nils
• organization: Nuclear physics
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: ion source, injector, plant material, Nuclear physics, Kärnfysik, aluminium, Accelerator mass spectrometry, AMS, Fysicumarkivet A:2003:Faarinen
• pages: 116 pages
• defense location: Sal B, Sölvegatan 14, Lund
• defense date: 2003-09-26 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNFD6/(NFFR-1022)/1-116/(2003)
• ISBN: 91-628-5634-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Al-26 investigations at the AMS-laboratory in Lund. M. Faarinen, C.-E. Magnusson, R. Hellborg, S. Mattsson, M. Kiisk, P. Persson and A. Schütz. Journal of Inorganic Biochemistry, vol: 87 (2001) 57-61. Article: Installation of a new injector at the Lund Pelletron. M. Faarinen, R. Hellborg, M. Kiisk, C.E. Magnusson, P. Persson, G. Skog, K. Stenström, S. Bazhal. Proc. of the XXXIV SNEAP meeting, Lund, Sweden, 21-24 October, 2001, 10-21. Article: A high resolution AMS-injector at the Pelletron in Lund. R. Hellborg, S. Bazhal, M. Faarinen, K. Håkansson, C.-E. Magnusson, P. Persson, G. Skog and K. Stenström. Pramana, Journal of Physics, 59:6 (2002) 1061-1073. Article: Al-26 at the AMS facility in Lund. M. Faarinen, S. Bazhal, R. Hellborg, M. Kiisk, C.-E. Magnusson, P. Persson, G. Skog and K. Stenström. Submitted to Nucl. Instr. Meth. B. Article: Studies of aluminium in plants by the use of Al-26. M. Faarinen, S. Bazhal, U. Falkengren-Grerup, R. Hellborg, M. Kiisk, P. Persson, G. Skog and K. Stenström. Submitted to Journal of Inorganic Biochemistry. Article: Some results of ion optical tests performed at the new injector of the 3~MV Pelletron tandem accelerator in Lund. M. Faarinen, S. Bazhal and R. Hellborg. Internal report LUNFD6/(NFFR-3091)/1-18/ (2003). To be submitted to Nucl. Instr. Meth. A.
• id: c444c384-991a-4012-a730-488df8dcec76 (old id 466160)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:03:06
• date last changed: 2018-11-21 20:56:25