Title (eng)
Experimental ionisation yields of fluoride anions in a Middleton type sputter ion source
Parallel title (deu)
Experimentelle Ionisationseffizienz von Fluoridanionen in einer Middleton-Type Sputter-Ionenquelle
Author
Xiaohe Zhang
Advisor
Robin Golser
Co-Advisor
Martin Martschini
Assessor
Robin Golser
Abstract (deu)
Die vorwiegende Anwendung von Anionen in der Beschleuniger Massenspektrometrie (AMS) bedarf der Herstellung eines stabilen und intensiven Anionenstrahls bei gleichzeitiger effizienter Nutzung des Probenmaterials. Fluoridanionen machen im Allgemeinen intensive Ionenstrahlen und bieten potentielle Unterdrückung von Isobaren (Zhao et al 2010). Zur Feststellung ihrer Eignung muss jedoch die Effizienz der Fluoridionenformation untersucht werden. Daher ist das Ziel dieser Studie eine Untersuchung der Faktoren, die die Ionisationseffizienz und Strahlintensität von Hafnium-, Cäsium- und Uran-Fluorid-Anionen in einer Middleton Typ Sputter Ionenquelle beeinflussen.
Der erste Teil der Arbeit untersucht den Einfluss der Zusammensetzung der Probe und der Art des Sputterns auf die Bildung von HfF5– Ionen. Es wurde gezeigt, dass Probenmaterialien aus HfF4, PbF2 und Ag, insbesondere im Fall hoher PbF2 Anteile, nicht nur höhere Spannung, sondern auch höhere Ionisationseffizienz an HfF5– erzielen als Probenmaterialien mit HfF4 und Ag alleine. Außerdem wurde bei ununterbrochenem Sputtern eine um 15% höhere Ionisationsausbeute erreicht als wenn Targets nacheinander für jeweils nur 10 Minuten gesputtert wurden. Die höchste erzielte HfF5–-Ionisationseffizienz betrug 5,9%, welche bei ununterbrochenem Sputtern einer Mischung von HfF4, PbF2 und Ag im Massenverhältnis 1:3:1 gemessen wurde.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde CsF2– betrachtete. Zwei Fluordonatoren (PbF2 und LaF3) in zwei verschiedenen Verhältnissen wurden auf ihre Effektivität hin untersucht. Es wurde gezeigt, dass PbF2 zu einer stärkeren Bildung von CsF2– führt als LaF3. Darüber hinaus reicht ein Cs:F-Atomverhältnis von 1:3 bei der Nutzung von PbF2 als Fluordonor aus, um einen Strom von 40-100 nA und eine maximale Ionisationseffizienz von etwa 0,08% zu erzielen.
Der dritte Teil konzentriert sich auf die Bildung von UO–- und UF5–-Ionen in Verbindung mit verschiedenen Proben-Matrix-Materialien, Quellen-Parametern und Probenhaltermaterialien. Zugabe von Fe zu einer Mischung von U3O8 und Fe2O3 verbessert die UO–-Strahlintensität sowie die Ionisationseffizienz. Bei entsprechender Einstellung der Ionenquelle ergab eine Mischung von U3O8 und Fe2O3 mit hinzugefügtem Fe in einem Masseverhältnis von 1:2 einen typischen UO– Strom von 5-9 nA und eine maximale Ionisationsausbeute um 2.9%. Die verwendung von Gold- und Kupfer-Kathodeninserts für UF4- und PbF2-Mischungen in einem Masseverhältnis von 1:9 ergab einen typischen UF5–-Strom von 10 nA und eine maximale Ionisationseffizienz von 3,5%.
Abstract (eng)
The dominant application of anions in Accelerator Mass Spectrometry (AMS) necessitates the generation of a stable and intense anion beam on the basis of an efficient usage of the sample material. Generally, fluoride anions have shown to provide high ion currents and a considerable ability to suppress interfering isobars in a number of experiments (Zhao et al 2010). However, the overall fluoride ion formation efficiency needs to be determined to assess their applicability. Therefore, the objective of the study is an examination of factors that exert influence on the ionisation efficiency as well as the beam intensity of hafnium, caesium as well as uranium fluoride anions in a Middleton type Sputter Ion Source.
The first part of the thesis investigates the influence of target composition as well as manner of sputtering on HfF5– ion formation. It was revealed that sample materials consist-ing of HfF4, PbF2 and Ag, especially in the case of high PbF2 proportion, not only generat-ed a larger current, but also provided a higher ionisation efficiency of HfF5– than sample materials containing HfF4 and Ag alone. Furthermore, targets that were sputtered in a con-tinuous manner yielded ionisation efficiencies around 15% higher than targets that were sputtered for 10 min time spans in a consecutive manner. The highest HfF5– ionisation effi-ciency was 5.9%, achieved by continuous sputtering of a HfF4, PbF2 and Ag mixture with a mass ratio of 1:3:1.
The ion of interest in the second part of the thesis is CsF2–. Here, two fluorine donor materials (PbF2 and LaF3) in two different proportions were examined in their effectiveness. It was shown that PbF2 yields stronger formation of CsF2– than LaF3. Further, a Cs:F atom ratio of 1:3, when using PbF2 as fluorine donor, suffices for a typical current of 40 - 100 nA and a maximum ionisation efficiency of around 0.08%.
The third part focuses on the formation of UO– as well as UF5– ions in relation to different sample matrices, source parameter and target holder material. Adding Fe to a mix-ture of U3O8 and Fe2O3 improves the UO– beam intensity as well as the ionisation efficien-cy. Under appropriate conditions of the ion source, U3O8 and Fe2O3 mixture added with Fe to a mass ratio of 1:2 yielded a typical UO– current of 5-9 nA and a maximum ionisation efficiency of around 2.9%. Using gold and copper target holder inserts for UF4 and PbF2 mixtures with a mass ratio of 1:9 yielded a typical UF5– current around 10 nA and a maxi-mal ionisation efficiency of 3.5%.
Keywords (eng)
fluoride anionAMSMass spectrometerionisation efficiencyhafniumuraniumcaesium
Keywords (deu)
FluoridanionenAMSMassenspektrometrieIonisationseffizienzHafniumUranCäsium
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1345525
rdau:P60550 (deu)
vi, 84 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
92
Study plan
Lehramtsstudium UF Englisch UF Physik
[UA]
[190]
[344]
[412]
Association (deu)
Title (eng)
Experimental ionisation yields of fluoride anions in a Middleton type sputter ion source
Parallel title (deu)
Experimentelle Ionisationseffizienz von Fluoridanionen in einer Middleton-Type Sputter-Ionenquelle
Author
Xiaohe Zhang
Abstract (deu)
Die vorwiegende Anwendung von Anionen in der Beschleuniger Massenspektrometrie (AMS) bedarf der Herstellung eines stabilen und intensiven Anionenstrahls bei gleichzeitiger effizienter Nutzung des Probenmaterials. Fluoridanionen machen im Allgemeinen intensive Ionenstrahlen und bieten potentielle Unterdrückung von Isobaren (Zhao et al 2010). Zur Feststellung ihrer Eignung muss jedoch die Effizienz der Fluoridionenformation untersucht werden. Daher ist das Ziel dieser Studie eine Untersuchung der Faktoren, die die Ionisationseffizienz und Strahlintensität von Hafnium-, Cäsium- und Uran-Fluorid-Anionen in einer Middleton Typ Sputter Ionenquelle beeinflussen.
Der erste Teil der Arbeit untersucht den Einfluss der Zusammensetzung der Probe und der Art des Sputterns auf die Bildung von HfF5– Ionen. Es wurde gezeigt, dass Probenmaterialien aus HfF4, PbF2 und Ag, insbesondere im Fall hoher PbF2 Anteile, nicht nur höhere Spannung, sondern auch höhere Ionisationseffizienz an HfF5– erzielen als Probenmaterialien mit HfF4 und Ag alleine. Außerdem wurde bei ununterbrochenem Sputtern eine um 15% höhere Ionisationsausbeute erreicht als wenn Targets nacheinander für jeweils nur 10 Minuten gesputtert wurden. Die höchste erzielte HfF5–-Ionisationseffizienz betrug 5,9%, welche bei ununterbrochenem Sputtern einer Mischung von HfF4, PbF2 und Ag im Massenverhältnis 1:3:1 gemessen wurde.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde CsF2– betrachtete. Zwei Fluordonatoren (PbF2 und LaF3) in zwei verschiedenen Verhältnissen wurden auf ihre Effektivität hin untersucht. Es wurde gezeigt, dass PbF2 zu einer stärkeren Bildung von CsF2– führt als LaF3. Darüber hinaus reicht ein Cs:F-Atomverhältnis von 1:3 bei der Nutzung von PbF2 als Fluordonor aus, um einen Strom von 40-100 nA und eine maximale Ionisationseffizienz von etwa 0,08% zu erzielen.
Der dritte Teil konzentriert sich auf die Bildung von UO–- und UF5–-Ionen in Verbindung mit verschiedenen Proben-Matrix-Materialien, Quellen-Parametern und Probenhaltermaterialien. Zugabe von Fe zu einer Mischung von U3O8 und Fe2O3 verbessert die UO–-Strahlintensität sowie die Ionisationseffizienz. Bei entsprechender Einstellung der Ionenquelle ergab eine Mischung von U3O8 und Fe2O3 mit hinzugefügtem Fe in einem Masseverhältnis von 1:2 einen typischen UO– Strom von 5-9 nA und eine maximale Ionisationsausbeute um 2.9%. Die verwendung von Gold- und Kupfer-Kathodeninserts für UF4- und PbF2-Mischungen in einem Masseverhältnis von 1:9 ergab einen typischen UF5–-Strom von 10 nA und eine maximale Ionisationseffizienz von 3,5%.
Abstract (eng)
The dominant application of anions in Accelerator Mass Spectrometry (AMS) necessitates the generation of a stable and intense anion beam on the basis of an efficient usage of the sample material. Generally, fluoride anions have shown to provide high ion currents and a considerable ability to suppress interfering isobars in a number of experiments (Zhao et al 2010). However, the overall fluoride ion formation efficiency needs to be determined to assess their applicability. Therefore, the objective of the study is an examination of factors that exert influence on the ionisation efficiency as well as the beam intensity of hafnium, caesium as well as uranium fluoride anions in a Middleton type Sputter Ion Source.
The first part of the thesis investigates the influence of target composition as well as manner of sputtering on HfF5– ion formation. It was revealed that sample materials consist-ing of HfF4, PbF2 and Ag, especially in the case of high PbF2 proportion, not only generat-ed a larger current, but also provided a higher ionisation efficiency of HfF5– than sample materials containing HfF4 and Ag alone. Furthermore, targets that were sputtered in a con-tinuous manner yielded ionisation efficiencies around 15% higher than targets that were sputtered for 10 min time spans in a consecutive manner. The highest HfF5– ionisation effi-ciency was 5.9%, achieved by continuous sputtering of a HfF4, PbF2 and Ag mixture with a mass ratio of 1:3:1.
The ion of interest in the second part of the thesis is CsF2–. Here, two fluorine donor materials (PbF2 and LaF3) in two different proportions were examined in their effectiveness. It was shown that PbF2 yields stronger formation of CsF2– than LaF3. Further, a Cs:F atom ratio of 1:3, when using PbF2 as fluorine donor, suffices for a typical current of 40 - 100 nA and a maximum ionisation efficiency of around 0.08%.
The third part focuses on the formation of UO– as well as UF5– ions in relation to different sample matrices, source parameter and target holder material. Adding Fe to a mix-ture of U3O8 and Fe2O3 improves the UO– beam intensity as well as the ionisation efficien-cy. Under appropriate conditions of the ion source, U3O8 and Fe2O3 mixture added with Fe to a mass ratio of 1:2 yielded a typical UO– current of 5-9 nA and a maximum ionisation efficiency of around 2.9%. Using gold and copper target holder inserts for UF4 and PbF2 mixtures with a mass ratio of 1:9 yielded a typical UF5– current around 10 nA and a maxi-mal ionisation efficiency of 3.5%.
Keywords (eng)
fluoride anionAMSMass spectrometerionisation efficiencyhafniumuraniumcaesium
Keywords (deu)
FluoridanionenAMSMassenspektrometrieIonisationseffizienzHafniumUranCäsium
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1345526
Number of pages
92
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