Upgrade of the Graphitization System for 14C AMS Analyses

Abstract

For decades, accelerator mass spectrometry (AMS) has been used for radiocarbon dating. The background of this technique is outlined along with an in-depth look at the graphitization process used to prepare samples for AMS analysis. The technology necessary to achieve the vacuum quality needed in graphitization and accelerator mass spectrometry is discussed as well.
The graphitization system belonging to the division of nuclear physics at Lund University is modernized and tested, and four different kinds of standard samples are graphitized and analysed using the Lund Single-Stage Accelerator Mass Spectrometer. The results deviate to some extent from the expected values, and the most likely reason is that the cracker used to crack open sealed quartz tubes is faulty. Leaks of air into the system would explain the deviations, and while the rest of the graphitization system has undergone extensive leak detection, no tests have been performed to determine whether the cracker lets air into the system upon cracking a tube or begins to do so as a result of the cracking. The upgrade is deemed successful, however, as the reactors replacing the former ones have passed the extensive leak detection and the pressure transducers have proven themselves to function as expected.
A calculation of the maximal conductance and throughput of the Fysicum graphitization system are performed as well, with the former being found to be 1.45∙10^-3 m^3/s and the latter being approximately 169 W.

Abstract (Swedish)

Datering med accelerator?
Måhända låter det otympligt, men när det handlar om att datera med hjälp av sällsynta slag av grundämnen kan varje atom räknas. Då handlar det om att kunna räkna enskilda atomer, vilket är möjligt med acceleratorbaserad masspektrometri, AMS.
Lunds Universitet har en accelerator anpassad just för den här sortens mätningar, vilken främst nyttjas av institutionerna för fysik och geologi. När det gäller åldersbestämningar av tidigare levande material är det nästan uteslutande kol-14 man talar om. Denna variant av vanligt kol består av sex protoner och åtta neutroner, till skillnad mot den mycket vanligare formen, kol-12, som har sex av vardera. Kol-14 skiljer sig från vanligt kol i en annan aspekt: det är svagt radioaktivt.
Kol-14 bildas i atmosfären som ett resultat av infallande kosmisk strålning, och tas sedan upp tillsammans ed vanligt kol i växternas fotosyntes. Eftersom kol-14 har en lång halveringstid (ca. 5730 år), förbrukas det inte utan förs vidare när djur sedan äter växterna. På så sätt förnyas mängden kol-14 i allt som lever, men när djuret eller växten dör upphör detta. Kol-14 kommer då sakta sönderfalla, och genom att man vet hur förhållandet mellan kol-14 och de stabila slagen kol-12 och kol-13 såg ut förr i tiden kan man räkna ut hur gammalt sådant material är genom att mäta förhållandet mellan de olika sorterna av kol nu.
Ett viktigt steg i mätningen är att preparera de prover vars kolatomer ska räknas. Detta görs genom en process som kallas grafitisering, vilket innebär att de kolhaltiga proven förbränns till koldioxid för att sedan på kemisk väg reduceras tillbaka till fast kol igen. Detta fasta kol kan sedan tas med till acceleratorn, där atomerna accelereras och sorteras beroende på deras massor.
Grafitiseringen utförs med hjälp av en specialbyggd maskin, av vilka Lunds Universitet har flera. Fysicum har en sådan maskin, vilken jag har arbetat med att modernisera samt anpassa för mindre prover, så små som ett halvt milligram kol.

• author: Dalsbecker, Philip
• supervisor: Kristina Stenström
• organization: Department of Physics
• course: FYSK01 20131
• year: 2013
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: 14C, AMS, Accelerator mass spectrometry, radiocarbon, vacuum, carbon-14
• language: English
• id: 3807545
• date added to LUP: 2013-07-04 14:21:45
• date last changed: 2013-07-04 14:21:45