Title (eng)
Preparation of a 55Fe-AMS standard and the precise measurement of the neutron capture cross-section of 54Fe(n,gamma)
Parallel title (deu)
Herstellung eines 55Fe-AMS Standards und die präzise Messung des Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma)
Author
Kathrin Buczak
Advisor
Robin Golser
Assessor
Robin Golser
Abstract (deu)
Das Interesse am Wirkungsquerschnitt für die Kernreaktion 54Fe(n,) ist verknüpft mit einer Vielfalt an Themen:
mit der Nukleosynthese in Sternen, mit der Erzeugung von radioaktivem Abfall in Fusionsreaktoren und mit der Halbwertszeit von 59Ni. Zu diesem Zwecke wurden Eisenproben an verschiedenen Anlagen mit Neutronen bestrahlt, deren Energie von thermischen Neutronen bis hin zu MeV-Neutronen
reichten. Das Radionuklid 55Fe (Halbwertszeit = 2.7 yr), das im Zuge dieser Aktivierungen produziert wurde, wurde mit AMS (accelerator mass spectrometry) bei VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) gemessen. Das einzige
stabile Isobar 55Mn bildet keine negativen Ionen und damit sind sehr sensitive 55Fe-AMS Messungen möglich. Die Messung genauer Isotopenverhältnisse setzt einen gut bekannten 55Fe-AMS Standard als Referenzmaterial voraus, um absolute Isotopenverhältnisse 55Fe/Fe zu bestimmen:
(1) Bei VERA wurden Eisenproben, die stark in 54Fe angereichert waren, mit 5.5 MeV Protonen bombardiert, um 55Co (Halbwertszeit = 17.53 h) zu produzieren, welches anschließend zu 55Fe zerfällt. Die totale Anzahl an Tochternukliden 55Fe wurde über die gemessene 55Co-Aktivität bestimmt.
(2) Ein weiterer, unabhängiger Standard wurde durch eine Verdünnungsserie einer zertifizierten 55Fe-Standardlösung hergestellt.
Für die Messung des thermischen Neutronen-Einfangswirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma)55Fe, wurden Proben am TRIGA Mark-II Reaktor des Wiener Atominstituts mit thermischen Neutronen und am Budapest Research Reactor mit kalten Neutronen bestrahlt. Der Wirkungquerschnitt wurde zu (2.328 ± 0.060) barn bestimmt.
Dieses Ergebnis wirkt sich direkt auf die Halbwertszeitbestimmung des langlebigen Radionuklids 59Ni aus, welche durch Nishiizumi et al. zu (76 000 ± 5 000) Jahren und durch Rühm et al. zu (108 000 ± 13 000) Jahren bestimmt wurde. Die Unsicherheit des letzteren Ergebnisses setzte sich hauptsächlich aus der Unsicherheit des Wirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma) zusammen, welcher in dieser Arbeit zu
< 3 % reduziert werden konnte. Mit dem präzise bestimmten Wirkungsquerschnitt für 54Fe(n,gamma) und neueren bekannten Daten ändert sich der Wert für die 59Ni-Halbwertszeit von 108 000 Jahren zu (92 700 ± 5 000) Jahren. Die gesamte Unsicherheit reduziert sich auf ≈ 5.4 %.
Abstract (eng)
The interest in neutron capture on 54Fe is linked to a variety of topics:
to studies of nucleosynthesis in stellar environments, to radioactive waste generation in fusion reactors and to the half-life of the long-lived 59Ni. In this regard samples have been irradiated with neutrons of energies in the range from thermal to MeV at several facilities, offering different irradiation conditions. The radionuclide 55Fe (half-life = 2.7 yr) produced in these activations, was measured at VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) via accelerator mass spectrometry (AMS). Due to the abscence of an isobaric interference, this technique allows highly sensitive detection of 55Fe. Such ultra-low isotope ratio measurements, however, require an accurate 55Fe-AMS standard as reference material to deduce absolute 55Fe/Fe ratios:
(1) At VERA, iron samples, highly enriched in 54Fe, were bombarded with 5.5 MeV protons to produce 55Co (half-life = 17.53 h), which decays to 55Fe. The total number of daughter-nuclides 55Fe was determined from the measured 55Co-activity.
(2) Another independent standard was produced by a dilution series of a certified 55Fe-standard-solution.
For the measurement of the thermal neutron capture cross section for 54Fe(n,gamma)55Fe, irradiations have been performed at the TRIGA Mark-II reactor of the Atominstitut in Vienna, and with cold neutrons at the Budapest Research Reactor. The thermal cross-section value was determined to 2.328 ± 0.060 barn.
This result has consequences on the value of the half-life of long-lived radioisotope 59Ni, which was measured by Nishiizumi et al. to (76 000 ± 5 000) y and by Rühm et al. to
(108 000 ± 13 000) y. The main contribution to the uncertainty of the latter value came from the cross-section value for 54Fe(n,gamma) which could be reduced to < 3 % in this work. With the new result for the neutron capture cross-section value on 54Fe and improved knowledge of additional contributions, the above mentioned 59Ni-half-life value of 108 000 y will change to (92 700 ± 5 000) y. The total uncertainty is reduced to 5.4 %.
Thermischer Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitt, AMS, VERA, 54Fe, 55Fe, 55Co, 59Ni, 55Fe-AMS standard, 54Fe(n,gamma) Halbwertszeit von 59Ni, Bestrahlungen mit Neutronen
Thermal neutron capture cross section, AMS, VERA, 54Fe, 55Fe, 55Co, 59Ni, 55Fe-AMS standard, 54Fe(n,gamma), half-life of 59Ni, neutron irradiations
Keywords (eng)
thermal neutron capture cross sectionAMSVERA54Fe55Fe55Co59Ni55Fe-AMS standard54Fe(n,gamma) half-life of 59Nineutron irradiations
Keywords (deu)
Thermischer Neutroneneinfang-WirkungsquerschnittAMSVERA54Fe55Fe55Co59Ni55Fe-AMS standard54Fe(n,gamma) Halbwertszeit von 59NiBestrahlungen mit Neutronen
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1261086
rdau:P60550 (deu)
VII, 138 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
148
Association (deu)
Title (eng)
Preparation of a 55Fe-AMS standard and the precise measurement of the neutron capture cross-section of 54Fe(n,gamma)
Parallel title (deu)
Herstellung eines 55Fe-AMS Standards und die präzise Messung des Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma)
Author
Kathrin Buczak
Abstract (deu)
Das Interesse am Wirkungsquerschnitt für die Kernreaktion 54Fe(n,) ist verknüpft mit einer Vielfalt an Themen:
mit der Nukleosynthese in Sternen, mit der Erzeugung von radioaktivem Abfall in Fusionsreaktoren und mit der Halbwertszeit von 59Ni. Zu diesem Zwecke wurden Eisenproben an verschiedenen Anlagen mit Neutronen bestrahlt, deren Energie von thermischen Neutronen bis hin zu MeV-Neutronen
reichten. Das Radionuklid 55Fe (Halbwertszeit = 2.7 yr), das im Zuge dieser Aktivierungen produziert wurde, wurde mit AMS (accelerator mass spectrometry) bei VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) gemessen. Das einzige
stabile Isobar 55Mn bildet keine negativen Ionen und damit sind sehr sensitive 55Fe-AMS Messungen möglich. Die Messung genauer Isotopenverhältnisse setzt einen gut bekannten 55Fe-AMS Standard als Referenzmaterial voraus, um absolute Isotopenverhältnisse 55Fe/Fe zu bestimmen:
(1) Bei VERA wurden Eisenproben, die stark in 54Fe angereichert waren, mit 5.5 MeV Protonen bombardiert, um 55Co (Halbwertszeit = 17.53 h) zu produzieren, welches anschließend zu 55Fe zerfällt. Die totale Anzahl an Tochternukliden 55Fe wurde über die gemessene 55Co-Aktivität bestimmt.
(2) Ein weiterer, unabhängiger Standard wurde durch eine Verdünnungsserie einer zertifizierten 55Fe-Standardlösung hergestellt.
Für die Messung des thermischen Neutronen-Einfangswirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma)55Fe, wurden Proben am TRIGA Mark-II Reaktor des Wiener Atominstituts mit thermischen Neutronen und am Budapest Research Reactor mit kalten Neutronen bestrahlt. Der Wirkungquerschnitt wurde zu (2.328 ± 0.060) barn bestimmt.
Dieses Ergebnis wirkt sich direkt auf die Halbwertszeitbestimmung des langlebigen Radionuklids 59Ni aus, welche durch Nishiizumi et al. zu (76 000 ± 5 000) Jahren und durch Rühm et al. zu (108 000 ± 13 000) Jahren bestimmt wurde. Die Unsicherheit des letzteren Ergebnisses setzte sich hauptsächlich aus der Unsicherheit des Wirkungsquerschnittes für 54Fe(n,gamma) zusammen, welcher in dieser Arbeit zu
< 3 % reduziert werden konnte. Mit dem präzise bestimmten Wirkungsquerschnitt für 54Fe(n,gamma) und neueren bekannten Daten ändert sich der Wert für die 59Ni-Halbwertszeit von 108 000 Jahren zu (92 700 ± 5 000) Jahren. Die gesamte Unsicherheit reduziert sich auf ≈ 5.4 %.
Abstract (eng)
The interest in neutron capture on 54Fe is linked to a variety of topics:
to studies of nucleosynthesis in stellar environments, to radioactive waste generation in fusion reactors and to the half-life of the long-lived 59Ni. In this regard samples have been irradiated with neutrons of energies in the range from thermal to MeV at several facilities, offering different irradiation conditions. The radionuclide 55Fe (half-life = 2.7 yr) produced in these activations, was measured at VERA (Vienna Environmental Research Accelerator) via accelerator mass spectrometry (AMS). Due to the abscence of an isobaric interference, this technique allows highly sensitive detection of 55Fe. Such ultra-low isotope ratio measurements, however, require an accurate 55Fe-AMS standard as reference material to deduce absolute 55Fe/Fe ratios:
(1) At VERA, iron samples, highly enriched in 54Fe, were bombarded with 5.5 MeV protons to produce 55Co (half-life = 17.53 h), which decays to 55Fe. The total number of daughter-nuclides 55Fe was determined from the measured 55Co-activity.
(2) Another independent standard was produced by a dilution series of a certified 55Fe-standard-solution.
For the measurement of the thermal neutron capture cross section for 54Fe(n,gamma)55Fe, irradiations have been performed at the TRIGA Mark-II reactor of the Atominstitut in Vienna, and with cold neutrons at the Budapest Research Reactor. The thermal cross-section value was determined to 2.328 ± 0.060 barn.
This result has consequences on the value of the half-life of long-lived radioisotope 59Ni, which was measured by Nishiizumi et al. to (76 000 ± 5 000) y and by Rühm et al. to
(108 000 ± 13 000) y. The main contribution to the uncertainty of the latter value came from the cross-section value for 54Fe(n,gamma) which could be reduced to < 3 % in this work. With the new result for the neutron capture cross-section value on 54Fe and improved knowledge of additional contributions, the above mentioned 59Ni-half-life value of 108 000 y will change to (92 700 ± 5 000) y. The total uncertainty is reduced to 5.4 %.
Thermischer Neutroneneinfang-Wirkungsquerschnitt, AMS, VERA, 54Fe, 55Fe, 55Co, 59Ni, 55Fe-AMS standard, 54Fe(n,gamma) Halbwertszeit von 59Ni, Bestrahlungen mit Neutronen
Thermal neutron capture cross section, AMS, VERA, 54Fe, 55Fe, 55Co, 59Ni, 55Fe-AMS standard, 54Fe(n,gamma), half-life of 59Ni, neutron irradiations
Keywords (eng)
thermal neutron capture cross sectionAMSVERA54Fe55Fe55Co59Ni55Fe-AMS standard54Fe(n,gamma) half-life of 59Nineutron irradiations
Keywords (deu)
Thermischer Neutroneneinfang-WirkungsquerschnittAMSVERA54Fe55Fe55Co59Ni55Fe-AMS standard54Fe(n,gamma) Halbwertszeit von 59NiBestrahlungen mit Neutronen
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1261087
Number of pages
148
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