Universitatea din Bucureşti Facultatea de Fizică Şcoala Doctorală de Fizică Fizică atomică, Fizică nucleară şi particule elementare, Astrofizică, Aplicaţii Marius Dogaru Dezvoltări metodice şi aplicaţii ale Spectrometriei de Masă cu Ioni Acceleraţi (AMS) REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT Conducător Ştiinţific Prof.univ.dr. Alexandru JIPA
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Universitatea din Bucureşti
Facultatea de Fizică
Şcoala Doctorală de Fizică
Fizică atomică, Fizică nucleară şi particule elementare, Astrofizică,
Aplicaţii
Marius Dogaru
Dezvoltări metodice şi aplicaţii ale Spectrometriei de Masă
cu Ioni Acceleraţi (AMS)
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
Conducător Ştiinţific
Prof.univ.dr. Alexandru JIPA
Bucureşti 2012
- 2 -
În atenția,
...............................................
Vă facem cunoscut că în data de 11 septembrie 2012, ora091:00, sala A1,domnul Dogaru Marius, va susține, în ședință public, teza de doctorat:
Dezvoltări metodice și aplicații ale Spectrometriei de Masă cu Ioni Accelerați (AMS) în vederea obținerii titlului științific de doctor în domeniul fundamental Științe Exacte, domeniul Fizică.Comisia de examinare a tezei:
Prof. univ. dr. Daniela Dragoman Președinte Facultatea de Fizică, Universitatea din București
Prof.univ.dr. Alexandru Jipa Conducător științific Facultatea de Fizică, Universitatea din București
Prof.univ.dr. Grigore Damian Referent Facultatea de Fizică, Universitatea “Babeş-Bolyai”, Cluj-Napoca
CS II dr. Florin Constantin Referent Institutul de Fizică şi Inginerie Nucleară “Horia Hulubei”, Măgurele
CS II dr. Cătălin Stan-Sion Referent Institutul de Fizică şi Inginerie Nucleară “Horia Hulubei”, Măgurele
Vă invităm pe această cale să participați la ședința publică de susținere a tezei de doctorat.
Metodele de analiză, bazate pe metodici atomice şi nucleare, ocupă un rol primordial
în cadrul procedeelor moderne de investigare microscopică a structurii mediului solid, a
compoziţiei multi-elementale sau uni-elementale a substanţelor dar și în aplicații medicale și
biologice, în geologie și astrofizică etc. [1].
În cadrul acestor metode analitice Spectrometria de Masă cu Ioni Acceleraţi (AMS –
Accelerator Mass Spectrometry) reuşeşte să atingă cea mai ridicată sensibilitate de analiză
(raport izotop/element 10-16), iar precizia de determinare este, în cele mai multe cazuri, sub
valoarea de 3%.
Actualmente în IFIN-HH există două instalaţii AMS care sunt în regim de operare curentă. O
instalație a fost construită pe lângă acceleratorul de ioni de tip Van de Graaff, 9 MV-FN 15, HVEC [2].
Cea de a doua instalaţie AMS a fost achiziţionată de la compania olandeză HVEE, fiind montată şi
pusă în funcţiune la începutul acestui an [3] .
Prezenta lucrare de Doctorat are ca obiect un dublu scop: realizarea unor dezvoltări
metodice ale instalaţiei AMS şi realizarea de cercetări științifice exprimentale. Lucrarea este
structurată în 5 capitole principale. În al doilea capitol sunt prezentate comparativ
componentele constructive ale celor două instalații AMS și rezultatele experimentale obținute în
cadrul dezvoltărilor realizate.
Capitolul 3 cuprinde descrierea studiilor experimentale realizate și rezultatele
obținute. Prezentarea acestui capitol este împărțită în două subcapitole. Primul descrie
rezultate obținute în cadru studiului AMS a comportamentului materialelor la retenția de
tritiu. Cel de al doilea cuprinde aplicații speciale efectuate în cadrul unor Contracte Euratom
și se referă la tehnici multiple, bazate pe AMS, pentru diagnoza și monitorizarea
experimentelor de fuziune în Tokamak.
Capitolul 4 este dedicat prezentării testelor de acceptanță și operațiilor de optimizare
realizate la noul sistem AMS. Un ultim capitol se ocupă de sumarizarea cercetărilor
întreprinse și a rezultatelor obținute.
Concluziile încheie această lucrare.
- 5 -
Capitolul 2
METODA AMS – DEZVOLTĂRI METODICE ȘI
REZULTATE
2.1 Introducere în problematica AMS
Principial, metodica AMS a fost concepută de fizicienii Luis Alvarez și Robert
Cornog, care au avut prima oară ideea de a folosi un accelerator de particule ca spectrometru
de masă, pentru a demonstra existența izotopului 3He și diferenţa acestuia de 3H .
Ulterior, la sfârşitul anilor 70, această idee de a potența o analiză prin folosirea unui
accelerator de particule de mare energie a fost reluată datorită interesului crescut pentru datări
bazate pe 14C. Ideea și-a găsit materializarea modernă și poate cea mai eficientă folosind
acceleratori liniari de tip tandem, care au calitatea de a avea o mare stabilitate și precizie
energetică. De atunci AMS s-a aflat într-o permanentă dezvoltare și răspândire internaţională.
Acest avânt s-a datorat faptului că AMS a deschis extrem de multe aplicaţii și cercetări
microscopice imposibil de imaginat anterior.
Actualmente există circa 100 radio-nuclizi care pot fi determinaţi prin AMS, însă aplicaţiile
realizate au arătat că în modul cel mai frecvent se folosesc în aplicaţii următorii izotopi 2H, 3H, 10Be, 14C, 26Al, 36Cl, 41Ca, 44Ti, 53Mn, 59Ni, 60Fe, 63Ni, 129I, 236U, 244Pu. Aria generală de aplicabilitate
cuprinde Geologia, Medicina, Astrofizica, Fizica Nucleară, Paleoantropologia, Paleoclimatologie,
Fizica Atmosferică etc.
În continuare vom prezenta principiul constructiv și de funcţionare al unei instalaţii
AMS.
2.2 Instalaţia AMS, prezentare generală
În figurile de mai jos sunt prezentate schemele de ansamblu ale celor două instalaţii
AMS de la IFIN-HH (Institutul de Fizică şi Inginerie Nucleară – Horia Hulubei).
Aceste două instalaţii constituie baza de metodică şi aplicaţii efectuate în cadrul
aceastei lucrări de doctorat.
- 6 -
Fig. 1. Schema bloc a unui sistem experimental bazat pe un accelerator de particule de 9 MV. Sursa de ioni și
magnetul analizor sunt componentele principale ale Injectorului de Ioni, ataşat acceleratorului de particule
Fig. 2. Schema bloc a instalaţiei AMS de 1MV
2.3 Injectorul de ioni AMS
Se numeşte Injector de Ioni ansamblul tuturor aparatelor şi instalaţiilor care contribuie
la producerea și formarea unui fascicul de ioni, cu specie ionică precizată, adecvaţi sub
aspectul energetic și al opticii ionice pentru a putea fi folosit în procesul de câştig energetic
obţinut într-un accelerator de particule încărcate electric. Foto 1 prezintă Injectorul construit
și automatizat[4], în cadrul acestei lucrări de doctorat. Detalii ale cercetărilor și lucrărilor
efectuate pot fi găsite în Anexa nr. 1, iar rezulatele principale sunt descrise mai jos.
- 7 -
Foto 1. Imaginea de ansamblu a sistemului injector de ioni AMS. De o parte și de alta a magnetului analizor
sunt distribuite dulapurile cu sursele de tensiune ce alimentează instalaţia
Descrierea reperelor din Foto 1 este următoarea:
- reperul 1: platforma injector(70 kV) izolată față de pământ
- reperul 2: platforma de potenţial 15 kV
- reperul 3: sursa de ioni
- reperul 4: magnet analizor
- reperul 5: cupa Faraday
- reperul 6: tuburi de pre-accelerare la 90 kV
La această lucrare am participat la: conceperea proiectului tehnic, realizarea calculelor
de optică ionică, montarea și testarea propriu zisă a sursei de ioni, a sistemului de vid, a
sistemului de măsură a fasciculului. Toate aceste componente, împreună cu magnetul analizor
au fost aliniate la axa optică a întregului sistem. După această lucrare am realizat
automatizarea componentelor injectorului de ioni și realizarea unor aplicații software la
aceasta. Aceste realizări sunt descrise în Anexa 1.
2.4 Sisteme de detecţie folosite în AMS
Principalele tipuri de detectori folosiţi în măsurătorile AMS, pentru a obţine eficienţă
maximă la detecţie, au ca substanţă de lucru gazul. Se folosesc detectorii de tip multi ΔE,
detectorii de tip Bragg, detectorii cu discriminare după timpul de zbor etc.
La detecţia de particule uşoare cum ar fi: protoni, deuteriu şi tritiu este folosit un
sistem de detectori cu semiconductori , sistem care a fost îmbunătățit în cadrul acestei
- 8 -
lucrări de doctorat. Acești detectori sunt folosiţi sub forma unor pachete de detectori plasaţi
consecutiv pe axa de incidenţă a fasciculului şi au un mare avantaj, deoarece aceştia pot
acoperi o scală foarte largă de parcursuri pentru particulele incidente. Cei doi detectori sunt
prezentaţi în Foto 2.
Foto 2. Detectori folosiţi în măsurători AMS. Stânga: camera Bragg; dreapta: sistemul de detectori cu
semiconductori
Capitolul 3
APLICAȚII AMS ȘI REZULTATE
3.1 Analize AMS cu profilare în adâncime a concentrațiilor de
elemente
În AMS probele sunt aduse prin procedee chimice sub formă de pulbere solidă cu o
foarte bună conducție electrică și termică. Pentru măsurători de profilare în adâncime probele
sunt sub forma unor plăcuțe, nu sub formă de pulbere cum se procedează de obicei. Pentru
acest tip de măsurători a fost construită un nou tip de roată, putând fi introduse un număr de
20 probe cu dimensiunea de 10 x 10 x 5 mm. Înălțimea plăcuțelor în roata cu probe poate fi
ajustată cu ajutorul unor plăcuțe subțiri identice cu dimensiunea probelor. Cele două roți, cea
obișnuită cu 40 probe sub formă de pulbere și cea realizată special pentru acest tip de
măsurători sunt arătate în Foto 3.
O informaţie importantă dată de măsurătorile AMS este determinarea concentraţiei de
tritiu în adâncime [5]. Profilometria în adâncime relevă energia incidentă a particulei
bazându-se pe relaţia dintre energie şi parcurs.
- 9 -
Foto 3. Stanga: roată construită pentru probe sub formă de plăcuţe. Dreapta: roată pentru probe sub formă de
pulbere
Profilometria în adâncime este realizată prin sputterarea (săparea) materialului ţintă cu
un fascicul subţire (0.8 mm în diametru) de 133Cs+. Craterul săpat este de forma unui cilindru
(vezi Foto 4). Concentraţia atomică este măsurată în atomi/cm3. Spectrele de tritiu sunt
înregistrate în funcţie de timp. Craterele obţinute în urma sputterării se măsoară off-line la un
profilometru optic, iar datele sunt folosite după aceea la conversia timp (secunde) - adâncime
(micrometri).
Foto 4. Craterul din probă obținut în urma sputterării cu Cs+
Măsurătorile AMS care urmăresc profilometria în adâncime a probei necesită
precauţii speciale în procesul de sputterare a ţintelor. Pentru acest caz, eroziunea produsă de
sputterare trebuie să fie uniformă pe aria analizată a ţintei, adică pe toată suprafaţa de pe care
se extrag ionii pentru analiză. Contribuţia adusă de pereţii craterului nu trebuie considerată în
cadrul analizei AMS.
În experimentele de profilometrie în adâncime, pentru a evita „efectul de margine a
craterului” se apelează uzual la scanarea probei (prin mişcarea suportului acesteia în faţa
fasciculului de Cs) sau la baleierea fasciculului de Cs folosit pentru sputterare. În acest caz
sistemul de achiziţie a datelor este condiţionat să înregistreze ionii proveniţi dintr-o zonă
centrală selectată. Spre deosebire de un bombardament static de ioni, atât mişcarea probei cât
şi a fasciculului, produc creşterea imensă a timpului de măsurare în cadrul experimentului.
Pentru a înlătura neajunsul produs de efectul de margine a craterului, în cadrul
experimentelor din această lucrare am recurs la un procedeu de deconvoluţie matematică,
aplicat după sputterarea statică a probelor [6]. Acest procedeu a fost elaborat în cadrul
- 10 -
grupului nostru AMS de la IFIN-HH în colaborare cu un grup de cercetare de Universitatea
tehnică Munchen
Fig. 3 prezintă compararea a două distribuţii de 3H în adâncime măsurate pe aceleaşi
probe prin folosirea corecţiei deconvolutării şi prin mişcarea rastel a probei. Diferenţa dintre
cele două distribuţii este mai mică de 10% pentru valorile integrate ale concentraţiei.
Fig. 3. Diferenţa de metode în eliminarea efectului de margine
Măsurătorile de tritiu din cadrul acestei lucrări de doctorat au fost efectuate la
instalaţia AMS de pe lângă acceleratorul tandem de 9 MV[7].
În fig. 4 este dată o măsurătoare a concentrației de tritiu în adâncime într-o probă
standard tritiu/carbon.
Fig. 4. Concentrația de tritiu în adâncime a unei probe standard (T/C=10-9)
- 11 -
3.2 Detectarea scurgerilor de tritiu prin AMS – rezultate.
Principalele surse de tritiu din lume sunt: reactoarele nucleare, staţiile de reprocesare a
materiei nucleare cât şi fabricile de armament nuclear.
Tritiul poate fi eliberat (scăpat) sub formă de gaz de la aceste surse infiltrându-se în
sol sau în apă. Scurgerile de gaz pot apărea la îmbinările ţevilor de presiune şi a containerelor
de oţel de la reactoare nucleare sau fabrici care stochează sau produc tritiu [8, 9].
Pentru a folosi metoda AMS la detectarea scurgerilor de gaz avem nevoie de
materiale sub formă solidă care pot reţine în structura lor atomică tritiul. Materiale foarte
bune captatoare de tritiu sunt: carbonul, titanul, zirconiul, paladiul. Toate acestea captează
tritiul la temperatura camerei în mai puţin de 5 minute.
Pentru aplicaţia în cadrul acestei lucrări de doctorat [10] am folosit două materiale:
carbonul pirolitic şi paladiul. Aceste materiale au eficienţă mare la captarea tritiului,
comparativ egală. Paladiul este un material scump dar a fost ales datorită proprietăţilor sale
(maleabil şi moale) pentru a produce brăţări care au fost plasate în jurul ţevilor în dreptul
îmbinărilor (sudurilor), suspectate de scurgere de tritiu.
După ce au fost expuse, brăţările au fost demontate de pe ţevi şi tăiate în bucăţi de 1
cm2. Acestea s-au montat în roata de probe a sursei sputtering şi analizate prin AMS. Fiecare
bucată a brăţării a fost marcată ca un element (x, y) al unei matrici.
Pentru calibrarea valorilor concentraţiilor de tritiu în valoare absolută au fost folosite
2 probe standard T/Pd cu concentraţiile 1.4 x 10-11 şi 5.2 x 10-12.
Figurile 5a şi 5b arată concentraţia de tritiu absorbită de către una din brăţările care au
fost expuse la îmbinările (sudurile) ţevilor de presiune. În fig. 5a sunt date valorile absolute
de T obţinute pentru fiecare bucată a brăţării. Valoarea maximă absorbită de tritiu este 6 x 109
atomi/cm2. Aceste valori, la fel ca celelalte valori de tritiu măsurate, au fost obţinute din
concentraţii în atomi/cm3, integrând pe o adâncime de 0,2 µm. Aceasta este echivalent cu
aproximativ 4.4 x 104 kBq/g, dar volumul de paladiu contaminat de către gazul de tritiu este
mic, având nu mai mult de 0,1 mg, astfel activitatea totală a probelor măsurate nu a fost mai
mare de 1 kBq. Reprezentarea matricii (x, y) a acestor date este aratată în fig. 5b. Poziţia
scurgerii nu este ușor de determinat.
- 12 -
a
0.00E+00
1.00E+09
2.00E+09
3.00E+09
4.00E+09
5.00E+09
6.00E+09
7.00E+09
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
position (cm)
T (
ato
ms
/cm
2 )
Fig.5. Măsurători AMS de tritiu (probe provenite de la îmbinarea prin sudură a ţevilor de presiune) la Staţia de
separare a tritiului (ICSI). a – valori absolute, b – reprezentare matricială
Pentru aceste măsurători, probele standard folosite au fost realizate din acelaşi
material ca brăţările.
3.3 Studii de retenție a tritiului în metale – rezultate.
Proiectarea, exploatarea şi decomisionarea facilităţilor în care se manipulează tritiul,
presupune o cunoaştere corectă a modului în care proprietăţile fundamentale ale materialelor
folosite la construcţia acestor instalaţii sunt modificate în urma contactului cu acest izotop.
Cantitatea tritiului reţinut în metale depinde de compoziţia chimică, tratamentele termice,
rugozitatea suprafeţei, istoria metalului înainte de expunere şi de condiţiile concrete ale expunerii.
În cadrul acestei lucrări de doctorat s-au realizat studii privind retenţia tritiului în
anumite materiale solide. Studiile au fost realizate într-o colaborare dintre Institutul de Fizică
și Inginerie Nucleară – Horia Hulubei cu ICSI Râmnicu Vâlcea în cadrul unui proiect
naţional de cercetare la Instalaţia Pilot Experimental pentru separarea tritiului şi deuteriului și
instalația AMS de la IFIN-HH. La Râmnicu Vâlcea sunt în curs de realizare tehnologii,
instalaţii şi aparatură de analize izotopice de măsură şi control:
- detritierea apei grele de la reactoarele nucleare;
- separarea tritiului şi deuteriului prin schimb izotopic catalizat apă - hidrogen;
- separarea tritiului şi deuteriului prin distilarea criogenică a hidrogenului lichid;
- 13 -
- separarea gazelor rare şi a gazelor industriale prin metode criogenice, precum şi
ultrapurificări de gaze şi producere de gaze etalon;
- aparatură specifică analizelor izotopice pentru măsurarea în flux a distribuţiei
deuteriului şi tritiului pe diferite specii moleculare, spectrometre de masă, analizoare cu
senzori specifici pentru controlul urmelor de gaze.
În cadrul acestor studii s-au făcut investigaţii asupra unei serii de nouă materiale metalice
supuse tritierii gazoase sau în apă tritiată. Mai precis este vorba de un oţel feritic şi o serie de
metale pure (Al, Cu, Nb, Pd, Ta, Ti, Zr). O serie de probe a fost expusă la tritiu gazos, iar o alta la
apă tritiată la intervale de timp diferite. După tritiere probele au fost supuse la o serie de procese
de înlăturare a tritiului de pe suprafaţă.
Determinarea ultrasensibilă a concentraţiei totale şi a profilometriei în adâncime a
tritiului din materialele investigate a fost realizată prin metoda AMS. La determinarea
profilometriei în adâncime pentru măsurarea după experiment a craterelor obţinute prin
sputterare cu cesiu s-a folosit un profilometru tip Mitutoyo SJ 301.
Deoarece nu a fost posibil realizarea de probe etalon pentru fiecare tip de material
investigat, având aceeaşi structură ca acesta, s-a recurs la folosirea unui singur tip de probă
etalon, carbon tritiat, şi folosind formula de mai jos a fost posibil determinarea concentraţiei
de tritiu din probe [11].
în care notăm:
, RSFa(b) reprezintă factorul de sensibilitate
relativă a elementului „a” în matricea „b”.
Concentraţia probei etalon de carbon folosită este: Ce =10 kBq/g.
3.3.1 Cupru
Densitatea masică a cuprului este d=8,94g/cm3.
Un cm3 de Cu cântăreşte 8,94g, din care 6,18 g 63Cu şi conţine 5,89X1022 atomi de 63Cu. Deci
.
Ca element de referinţă în cupru s-a folosit 63Cu.
Elementul
de referinţă[x1022] [x1022]
Abundenţa
izotopului
F
(Bq/cm3)63Cu 11 5,89 0,1143 69,15 612,02
- 14 -
0,0E+00
1,0E+04
2,0E+04
3,0E+04
4,0E+04
5,0E+04
6,0E+04
0 100 200 300 400 500 600 700
Adâncime (nm)
Co
nce
ntr
aţia
(B
q/g
) 3d
6d
11d
Rezultatele experimentale sunt reprezentate în fig. 6 şi fig. 7.
0
50
100
150
200
250
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Adâncime (nm)
Co
nc
en
tra
ţie
(B
q/g
)
10d
20d
Fig.6. Profilometria concentraţiei de tritiu în probele de cupru marcate în THO (apă) timp de 10 zile, respectiv
20 de zile (Probele: 7a, 8a)
Fig. 7. Profilometria concentraţiei de tritiu în probele marcate în HT (gaz) timp de 3 zile, respectiv 6 de zile (4b,
5b şi 6b).
Din graficele de mai sus se observă că absorbţia tritiului este cu două ordine de
mărime mai mare în probele de cupru imersate în gaz decât în cele imersate în apă tritiată. De
asemenea în cazul apei, tritiul penetrează la o adâncime mai mare, aproximativ 1 micron faţă
de cazul gazului, când tritiul penetrează doar până la aproximativ 200 – 300 nm. Aceasta se
poate justifica prin formarea oxidului la suprafaţa probei. Curba corespunzătoare probei cea
mai expusă (11 zile) prezintă neregularităţi datorită gradului de dezordine din reţea datorat
tritiului absorbit. La celelalte probe acest fenomen este mai scăzut. Absorbţia tritiului în
cupru a fost determinată de foarte puţini cercetători, în cele mai multe articole apare că tritiul
nu este absorbit în cupru decât într-un strat foarte subţire de oxid, dar există şi cercetători care
au contrazis acest lucru [12].
- 15 -
3.3.2 Titan
Densitatea masică a titanului este d=4,506g/cm3.
Un cm3 de Ti cântăreşte 4,506g, din care 3,32 g 48Ti, şi conţine 4,15X1022 atomi de 48Ti. Deci
. Ca element de referinţă în titan s-a folosit 48Ti.
Elementul
de referinţă[x1022] [x1022]
Abundenţa
izotopului
F
(Bq/cm3)48Ti 11 4,15 0,0003 73,72 1,13
Rezultatele experimentale sunt reprezentate în fig. 8 și fig. 9.
Ti in HTO
0,0E+00
2,0E+04
4,0E+04
6,0E+04
8,0E+04
1,0E+05
1,2E+05
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Adâncimea (nm)
Co
nce
ntr
aţia
(kB
q/g
)
10 days
20 days
Fig. 8. Profilometria concentraţiei de tritiu în probele de titan marcate în THO (apă) timp de 10 zile, respectiv 20
Fig. 9. Profilometria concentraţiei de tritiu în probele de titan marcate în amestec de gaz HT + azot timp de 2
ore ( proba 14b).
Din graficele de mai sus se observă că absorbţia tritiului este cu două ordine de
mărime mai mare în probele de titan imersate în gaz decât în cele imersate în apă tritiată. De
asemenea în cazul apei, tritiul penetrează la o adâncime mai mare, aproximativ 1 micron faţă
- 16 -
de cazul gazului, când tritiul penetrează doar până la aproximativ 400 – 500 nm. Aceasta se
poate justifica prin formarea oxidului la suprafaţa probei.
În urma analizării probelor se confirmă că titanul este unul din cele mai bune
materiale stocatoare de tritiu gazos [13, 14]. Aceasta pentru că nu işi schimbă esenţial
proprietăţile fizice după absorbţia tritiului cât şi pentru că absorbţia se face rapid şi foarte eficient.
Considerând valorile concentraţiilor obţinute în probele marcate în HT, se observă o
foarte bună absorbţie a titanului în comparaţie cu celelalte metale, însă absorbţia în celelalte
metale nu este deloc neglijabilă (vezi fig. 10).
0,0E+00
2,0E+05
4,0E+05
6,0E+05
8,0E+05
1,0E+06
1,2E+06
1,4E+06
1,6E+06
Ti Zr Pa Ta Nb
Proba
Co
nce
ntr
aţia
(b
q/g
)
primul micron
al 2-lea micron
al 3-lea micron
concentratia totala a probei
Fig. 10. Comparaţie a nivelului de absorbţie a tritiului în Ti, Zr, Pa, Ta şi Nb.
Din datele obţinute se obţine un raport de 1.29, între concentraţia medie totală în titan
şi concentraţia medie totală în zirconiu, foarte apropiat de cel specificat în „Safety in tritium
handling technology” de 1.26 [15].
3.4 Aplicații AMS în experimente de fuziune
3.4.1 Noțiuni introductive - Reactorul Tokamak
Fuziunea este realizată în următorul fel: un magnet enorm (arătat în Foto 5), numit
transformator, este încărcat prin creşterea curentului prin bobinele sale primare.
- 17 -
Foto 5. Tokamak-ul. În stânga avem conceptul ITER. În dreapta este arătat miezul transformatorului, curenţii
diferiţi şi câmpurile magnetice acţionând plasma şi producând confinarea.
După umplerea camerei incintei Tokamak-ului (aflată în prealabil în vid) cu un gaz de H, D
sau T, câţiva atomi vor fi ionizaţi datorită radiaţiei cosmice, iar transformatorul va fi descărcat
brusc prin tăierea directă a curentului prin bobine. Propria inducţie va produce un imens gradient de
câmp electric în jurul câmpului magnetic vertical (produs de către transformator), care accelerează
particulele încărcate prealabil şi producând la rândul lor mult mai mulţi ioni, creând plasma din
Tokamak. Succesiunea de operaţii descrisă conduce la arderea plasmei şi apariţia reacţiei de
fuziune cu o durată de la câteva zeci de secunde până la câteva minute. Acest regim de pulsare va fi
folosit în reactoarele de fuziune.
Confinarea plasmei este atinsă în următorul fel: curentul de plasmă produce propriul
său câmp magnetic (poloidal) care compus cu câmpul magnetic toroidal (produs de către
bobinele toroidale) va produce linii magnetice răsucite, formând o cuşcă magnetică care ţine
ionii împreună confinaţi. Timpul de confinare reprezintă perioada de timp cât energia este
reţinută în plasmă înainte să fie pierdută din cuşca magnetică. Acesta creşte rapid cu
dimensiunea plasmei şi de aceea volumele mari reţin căldura mult mai bine decât volumele
mici.
Oricum, pentru a susţine reacţia de fuziune, criteriul Lawson trebuie îndeplinit.
Acest număr nu a fost încă atins în niciun reactor. ITER are ca scop atingerea acestei
valori.
3.4.2 Analize AMS aplicate la problematica reactorilor de fuziune -
rezultate
Aplicaţiile pentru Tokamak implică determinarea unor cantităţi de elemente diferite
implantate în interiorul componentelor aflate în contact sau în vecinătatea plasmei. Pentru
investigarea de astfel de efecte, AMS trebuie să efectueze profilarea în adâncime a
concentraţiei elementelor (DP). Pentru analiza probelor, sunt tăiate bucăţele mici din plăcile
de protecţie a incintei Tokamak-ului. Ca metodă alternativă şi mult mai uşoară se pot plasa
mici probe spion, fabricate din carbon pirolitic între plăcile incintei Tokamak-ului. Foto 6
- 18 -
arată ambele tipuri de probe: bucăţi tăiate din plăci şi probe spion numite (LTS-long term
samples).
Foto 6. În stânga: probele LTS făcute din carbon pirolitic (8 x 12 mm). Aceasta pot fi uşor montate sau
înlăturate din fiecare locaţie a tokamak-ului. În dreapta: o placă din protecţia incintei de unde au fost tăiate
bucăţi circulare pentru analiza AMS
Probele spion LTS pot fi folosite eficient pentru măsurare fără demontarea sau tăierea
unei plăci de protecţie. Acestea nu depind de structura sau materialul din care sunt făcute
plăcile, având o structură compactă şi uniformă furnizând informaţii neperturbate ale energiei
şi concentraţiei particulelor implantate.
În cele ce urmează prezint câteva aplicaţii referitoare la acest tip de studii şi rezultate
obţinute în cadrul acestei lucrări.
3.4.2.1 Profilări în adâncime a concentraţiei de tritiu
În fiecare Tokamak deuteriul va fi prezent în combustibilul gazos şi chiar cu yield de
producere scăzut, vom găsi şi tritiu cu energia de 1.01 MeV produs din reacţia DD. Acest
tritiu de energie mare este produs dintr-o reacţie de fuziune şi este foarte uşor de distins faţă
de tritiul din combustibil care are energia în jur de 10-20 keV şi faţă de tritiul neutru injectat
din sistemul NBI care are energia de ordinul sutelor de keV. Deoarece reacţia de fuziune are
loc predominant în centrul plasmei, tritiul cu energia de 1.01 MeV poate fi folosit ca marcaj
pentru confinarea plasmei în timpul descărcărilor.
Măsurătorile AMS de profilare în adâncime folosind probe spion (LTS) pot
diagnostica calitatea de confinare a plasmei şi de asemenea neregularităţi sau nefuncţionări în
conservarea şi separarea plasmei şi eficienţa descărcărilor în vederea obţinerii reacţiei de
fuziune. Astfel de aplicaţii au fost prezentate în alte lucrări [16], aici vreau numai să evidenţiez
că în condiţii normale în distribuţiile de profilare în adâncime ale tritiului din plăcile de
protecţie ale tokamak-ului nu ar trebui să se observe niciun pic la o adâncime mai mare de 2
- 19 -
μm. Astfel este uşor să se diagnosticheze o campanie de experimente folosind acest mod de
tratare (vezi fig. 11).
Fig.11. Diagnoza unei campanii de experimente folosind măsurătorile de profilare în adâncime ale tritiului.
Spectrul din dreapta colţului de jos arată tendinţa profilării în adâncime, după un experiment cu o plasmă
neconfinată
În cadrul aceastei lucrări au fost efectuate experimente pe un asamblu de 30 probe.
În Tokamak-urile mari volumul de plasmă este în jur de 80 m3 cu o înălţime de 3 m.
Incinta este acoperită cu plăci de protecţie şi este foarte interesant să determini închiderea
câmpului magnetic în ambele axe (toroidală şi poloidală).
Fig.12. Măsurători de tritiu în plăcuţe spion plasate în axa poloidală. Distribuţia este practic izotropă
demonstrând că închiderea plasmei este bună în geometria poloidală atâta timp cât distribuţia toroidală nu este
perturbată.
Rezultatele concentraţiilor totale măsurate sunt arătate în fig. 12. Profilarea în adâncime
arată creşteri numai de suprafaţă şi întrucât distribuţia poloidală este izotropă, ambele
- 20 -
caracteristici arată că plasma este confinată bine. Aceste rezultate demonstrează o bună
funcţionare într-o astfel de geometrie.
3.4.2.2 Determinarea retențiilor de combustibil în instalația
“Divertor”
Divertorul este folosit pentru inlaturarea particulelor care au scapat din plasma
confinata si care pot influenta temperatura acesteia.
Experimente de tip AMS de profilometrie în adâncime au fost necesare pentru studierea
dependenţei depunerii de material cu geometria divertorului şi densitatea de plasmă implicată.
În fig. 13 sunt prezentate două tipuri de geometrii ale divertorului pentru care s-au
efectuat în cadrul acestei lucrări analize AMS. Acestea au fost testate pe parcursul mai multor
campanii de experimente. În acest timp au fost făcute măsurători AMS de profilare în
adâncime folosind bucăţi tăiate din plăcile de protecţie care au fost demontate. În prima
geometrie a divertorului măsurătorile efectuate au arătat o depunere simetrică a tritiului.
Pentru geometria înclinată a fost măsurată o creştere importantă a concentraţiei de tritiu în placa
cu numărul 1. Oricum, această informaţie furnizează inventarul tritiului depus, aceasta
trebuind corelată cu măsurătorile de temperatură şi radiaţie pentru a obţine o informaţie despre
separarea plasmei faţă de pereţii incintei Tokamak-ului.
- 21 -
Fig. 13. Tritiul măsurat prin profilare în adâncime AMS din bucăţi tăiate din plăcile de protecţie ale divertorului.
Sunt prezentate două geometrii ale divertorului, împreună cu măsurătorile de tritiu din locaţii diferite indicate
prin puncte. Liniile sunt desenate numai pentru indicare
3.4.2.3 Determinarea prin AMS a eficienței de detritiere prin ablație
LASER
În timpul funcționării unui Tokamak cantități mari de tritiu se vor implanta în pereții
acestuia și în alte materiale care intră în contact cu acestea. Pentru înlăturarea acestor cantități
de tritiu din pereții tokamak-ului au fost dezvoltate diferite proceduri specializate pentru
diferite materiale. Una din procedurile dezvoltate este și detritierea prin ablație laser. Cu
ajutorul acestei tehnici a fost arătat că este posibilă curățarea unui strat depus de 50 µm pe o
cărămidă CFC cu o rată de aproximativ 3m2/oră. Curățarea a fost făcută fără distrugerea
substratului de grafit. Studiile au fost obținute în laboratoare specializate folosind un laser de
frecvență înaltă (putere de 20W, 2J/cm2, lungime de undă 1052 nm).
Spectrometria de masă cu ioni accelerați (AMS) datorită modului său de funcționare
este capabilă să determine concentrația în adâncime a unor izotopi (exemplu 2H, 3H) în
materialele investigate și de asemenea este capabilă să furnizeze profilarea în adâncime a
concentrațiilor. Prin urmare, eficiența de detritiere obținută poate fi determinată continuu
până la o adâncime mai mare de 200 µm.
Foto 7. Stânga, cărămida de protecție, jumate din aceasta tratată prin ablație laser. Dreapta, pozițiile găurilor
probelor extrase pentru ambele părți a cărămizii de protecție
În Foto 7 este arătată o cărămidă de protecție din care jumătate a fost tratată prin
ablație laser. Din cărămidă au fost extrași cilindri din ambele părți (partea detritiată prin
ablație laser și cealaltă parte netratată). Cilindrii au fost tăiați în felii de 2 mm grosime.
În cadrul lucrării de doctorat au fost măsurate prin AMS câteva felii tăiate din acești
cilindri. Aceste probe pentru măsurare au fost obținute în cadrul unui proiect internațional de
la tokamak-ul de la JET (Joint European Torus), Oxford, UK.
- 22 -
În fig. 14 sunt prezentate profilele în adâncime obținute prin AMS de la două felii de
la suprafață din ambele regiuni (detritiată și nedetritiată). Măsurătorile au fost calibrate
folosind probe standard de T/C.
0,0E+00
1,0E+17
2,0E+17
3,0E+17
4,0E+17
5,0E+17
6,0E+17
7,0E+17
8,0E+17
9,0E+17
1,0E+18
0 10 20 30 40 50 60
depth (mm)
T a
tom
s/cm
3
surface sample non detritiated
0,0E+00
5,0E+14
1,0E+15
1,5E+15
2,0E+15
2,5E+15
3,0E+15
3,5E+15
4,0E+15
0 10 20 30 40 50 60
depth (mm)
T a
tom
s/cm
3
surface detritiated sample
Fig.14. Spectrele de profilare în adâncime obținute prin AMS pentru o cărămidă de protecție înainte și după
procedura de detritiere prin ablație laser
Spectrele arată sensibilitatea procedurii de detritiere. Poate fi investigată dependența
detritierii cu adâncimea și migrația sau contaminarea cu tritiu în timpul și după ablația laser.
Fig. 15 prezintă eficiența detritierii laser, exprimată ca raportul spectrelor din fig. 14.
Detritiation microscopy
90
9192
9394
95
9697
9899
100
101102
103104
105
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Depth (mm)
per
cen
tag
e (%
)
Fig.15. Eficiența detritierii prin ablație laser. Punctele din plot reprezintă raportul valorilor integrate peste
intervalul 5 – 15 µm, obținute din cele două spectre din fig. 14.
Valoarea medie determinată a detritierii pentru o adâncime până la 50 µm este
98±2%. Această valoare este în acord cu măsurătorile obținute și prin combustie totală care a
fost de 95%.
Din fig. 14 (dreapta), rezultatele obținute prin AMS, arată că eficacitatea de detritiere
are o tendință de scădere, scădere care ar fi datorată diminuării puterii laserului cu creșterea
în adâncime. În primii 20 µm de adâncime eficacitatea este practic constantă la o valoare de
99% și la sfârșit eficacitatea scade linear la o valoare mai mică de 94%.
- 23 -
Pentru probe detritiate, AMS poate furniza spectre de o rezoluție crescută conținând o
descriere mult mai detaliată a efectului laser. Aceasta este arătată în fig. 16, unde rezoluția a
fost îmbunătățită prin medierea peste o adâncime de 500 nm.
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
0 10 20 30 40 50 60
Depth (mm)
de
triti
atio
n e
ffic
ien
cy (
%)
Fig. 16. Detritiere prin ablație laser măsurată AMS cu o rezoluție de 500 nm
Cum se vede din fig. 16, tritiul înlăturat prin ablație laser a fost eficace pentru o
adâncime nu mai mare de 20 µm. Pentru valori mai mari în volum, puterea laserului scade. În
afara scalei așteptate de 50 µm efectul de înlăturare este foarte rapid și haotic.
Capitolul 4
NOUL SISTEM AMS DE 1 MV - REZULTATE
4.1 Introducere
Datorită unor investiţii majore în cercetare şi în ţara noastră a fost posibilă
achiziţionarea unui sistem AMS Tandetron de 1 MV. Acesta este amplasat la Institutul de
Fizică şi Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH), fiind construit de către High Voltage
Engineering Europa (HVEE), (vezi Foto 8).
În cadrul acestei lucrări de doctorat am participat la montarea şi la testele de determinare
a parametrilor de precizie şi sensibilitate a sistemului AMS de 1 MV.
- 24 -
Foto 8. Instalația AMS de 1MV
4.2 Determinarea parametrilor de precizie și sensibilitate
După instalare, sistemul AMS de 1 MV [17] a fost supus la o serie de teste de
funcţionare şi de precizie. Au fost testate sistemele de răcire, de vid preliminar şi vid înalt,
analizoarele magnetice şi electrice, acceleratorul la capacitate maximă. A fost testată sursa de
ioni la care s-au obţinut curenţi de fascicul foarte mari (200 μA 12C-, 500 nA de 27Al-). După
aceste teste s-a trecut la teste de analiză AMS. S-au făcut analize AMS pentru următoarele
rapoarte izotopice: 9Be/10Be, 14C/12C, 26Al/27Al şi 129I/127I.
4.2.1 Carbon 14
La testele de precizie şi sensibilitate pentru 14C s-au folosit 4 probe etalon (NIST OXII)
cu concentraţia izotopică 14C/12C de 1.6 x 10-12 şi o probă blank cu concentraţia de 3 x 10-15. A
fost obţinut un curent de fascicul de 14C de 10 μA la o temperatură a cesiului de 80 0C.
Acestă valoare a fost obţinută în cupa Faraday de la intrarea în accelerator. Tensiunea de
terminal a fost de 1 MV şi transmisia maximă prin accelerator a fost de 50% pentru 12C2+ cu
presiunea gazului de stripare de 1.5 x 10-2 Torr.
- 25 -
Proba #14C
(counts)13C / 12C 14C / 12C
1 167973 1.02477 × 10-2 1.36495 × 10-12
2 170165 1.02168 × 10-2 1.35524 × 10-12
3 162759 1.02056 × 10-2 1.35461 × 10-12
4 161181 1.02422 × 10-2 1.36175 × 10-12
Eroarea statistică medie ( ‰) 2.46
Media 1.02281 × 10-2 1.35914 × 10-12
Deviaţia relativă standard ( ‰) 1.97 3.71
Măsurătorile de fond 14C / 12C: 1.79882 × 10-15. Pentru o bună statistică pentru
măsurătoarea de fond se recomandă 120 de blocuri a câte 30 de secunde.
4.2.2 Aluminiu 26
După cum este cunoscut Al nu produce un curent mare de ioni negativi. De aceea
pentru aceste măsurători temperatura cesiului a fost marită până la 100 0C pentru a se obţine un
curent de 27Al- 200 nA. Transmisia prin accelerator a fasciculului de 27Al+ a fost de 43% la o
tensiune de terminal de 700 kV şi o presiune a gazului de stripare de 1.7 x 10-2 Torr.
Au fost folosite patru probe etalon cu concentraţia 26Al/27Al de 9.35 x 10-11 şi două
probe blank pentru măsurarea fondului cu concentraţia de 4 x 10-14.
Proba 26Al (counts) 26Al / 27Al
1 17312 7.56336 × 10-11
2 16757 7.47878 × 10-11
3 16421 7.37240 × 10-11
4 17477 7.57510 × 10-11
Eroarea statistică medie ( ‰) 7.67
Media 7.49741 × 10-11
Deviaţia relativă standard ( ‰) 12.50
Măsurătorile de fond 26Al/ 27Al: 3.70038 × 10-15. Pentru o bună statistică pentru
măsurătoarea de fond se recomandă 120 de blocuri a câte 30 de secunde.
- 26 -
4.2.3 Beriliu 10
Pentru măsurătorile de beriliu s-au măsurat patru probe etalon cu concentraţia 10Be/9Be
de 2.79 x 10-11 şi două probe blank cu concentraţia de 1 x 10-14. Transmisia prin accelerator a
fasciculului de 9Be a fost de aproximativ 50% la o tensiune de 1 MV şi o presiune a gazului
de stripare de 2 x 10-2 Torr.
Pentru înlăturarea ionului de 10B care acompaniază ionul de interes 10Be, în faţa
analizorului electrostatic ESA se pune o folie de Si3N4 cu o grosime de 150 nm. În această folie
1[?]. New Techniques for the Detection of Nuclear and Radioactive Agents, NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics, ed. G.A.Aycik (Published by Springer in cooperation with NATO Public Diplomacy Division), 2009, pp. 27-48, C. Stan-Sion, M. Enachescu, M. Dogaru;
2[?]. Accelerator Mass Spectrometry at the National Institute of Nuclear Physics and Engineering in Bucharest, C. Stan-Sion, M. Ivascu, D. Catana, D. Plostinaru, L. Marinescu, M. Radulescu, R. Duma and E. Nolte, Nucl. Instr. and Meth., B, (172), 29, 2000.
3[?]. A decade of experiments and recent upgrading at the AMS facility in Bucharest, C. Stan-Sion, M. Enachescu, O. Constantinescu, M. Dogaru, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms, Volume: 268 Issue: 7-8 Pages: 863-866 Published: 2010;
4[?]. Disign and construction of a WIEN velocity filter for AMS facilities, D. Catana, L.Rohrer, C. Stan-Sion, Mihaela Enachescu, D. Plostinaru, and I. Vata, IDRANAP, Center of Excellence of EC, WP101501, 2001;5[?]. Accelerator mass spectrometry: is the future bigger or smaller?, Jull AJT, Burr GS, Earth Planet Sci Lett 243(3-4):305-325 (2006);6[?]. Unfolding Procedure for AMS Depth Profiling, Enachescu M, Lazarev V, Stan-Sion C, J Phys D: Appl Phys 39: 2876-2880 (2006);
7[?]. Accelerator mass spectrometry: is the future bigger or smaller?, Jull AJT, Burr GS, Earth Planet Sci Lett 243(3-4):305-325 (2006);8[?]. Portable intelligent tritium in air monitor, Purghel L, Calin MR, Bartos D, Lupu L, Lupu A, Lupu F, Fusion Sci Tech 48(1):390-392 (2005);
9[?]. Accelerator mass spectrometry of 129I: Technique and applications, Kieser WE, Zhao XL, Soto CY, Tracy B, J Radioanal Nucl Chem 263(2): 375-379 (2005);10[?].Tritium measurements by AMS and Applications, M. Dogaru, Mihaela Antonina Calin, C. Stan-Sion, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, DOI: 10.1007/s10967-011-0981-6, 2011;
13[?]. “Tritium în Environment”, National Council on Radiation Protection and Measurements”,Report NCRP, no 62, 1979 March;
14[?]. L.L.Burger, L.E.Trevorrow, “Release of Tritium from Fuel and Collection for Storage”, Controlling Air- Borne Effluents from Fuel Cycle Plants, ANS-AIChE Meeting, 1976 August;
- 27 -
cei doi ioni pierd energie diferit, deci prin folosirea analizorului electrostatic care diferenţiază
ionii după energie se pot înlătura ionii de 10B. La măsurarea probelor etalon, datorită foliei
folosite se observă o diferenţă cu un ordin de mărime dintre valoarea certificată şi valoarea
obţinută .
Proba # 10Be (counts) 10Be / 9Be
1 6666 1.51433 × 10-12
2 6570 1.50704 × 10-12
3 6644 1.50058 × 10-12
4 6394 1.49067 × 10-12
Eroarea statistică medie ( ‰) 12.34
Media 1.50315 × 10-12
Deviaţia relativă standard ( ‰) 6.68
Măsurătorile de fond 10Be / 9Be: 2.68050 × 10-14. Pentru o bună statistică pentru
măsurătoarea de fond se recomandă 120 de blocuri a câte 30 de secunde sau 100 count-uri.
4.2.4 Iod 129
Pentru măsurătorile de iod s-au măsurat patru probe etalon cu concentraţia 129I/127I de
1.31 x 10-11 şi două probe blank cu concentraţia de 3 x 10-13. Transmisia prin accelerator a
fasciculului de 127I3+ a fost de aproximativ 47% la o tensiune de 1 MV şi o presiune a gazului
de stripare de 3 x 10-3 Torr.
15[?]. Safety in tritium handling technology, F. Mannone, Commission of the European Communities – 1993;
16[?]. C. Stan-Sion, L. Rohrer, F. Kubo, V. Lazarev, P. Hartung, E. Nolte, R. Behrisch, J. Roth, Nucl. Instr. and Meth. B 192 (2002) 331;
17[?]. Performance of a new 1MV AMS system and graphite reduction system, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (Kigam), W. Hong, J.H. Park, K.S. Sung, J.Y. Park, H.J. Woo and K.J. Kim, ’2 East Asia AMS Conference, Oct. 22, 2007, SNU, Seul, Korea.