A Detector System for Light–Element Analysis using a Nuclear Microprobe : for Applications in Geoscience

Abstract: I detta arbete har två analysmetoder med mycket hög känslighet för att mäta väte och bor utvecklats. Dessa har tillämpats på geologiska material där de kan vara ett verktyg i att svara på frågeställningar gällande b.la. jordskorpans utveckling och flödet av vatten på jorden. Metoderna kan mäta en väte- eller bor-atom bland en miljon andra atomer. Jonstråleanalys är ett fält inom den tillämpade fysiken som använder sig av strålar med laddade partiklar, vanligtvis protoner (väteatomkärnor) eller alfapartiklar (heliumatomkärnor) med hög energi för att genomföra grundämnesanalys av prover. De laddade partiklarna accelereras med hjälp av en accelerator upp till en energi av ca 3 MeV, vilket motsvaras av att partikeln har accelererats av det elektriska fältet från en spänning på 3 miljoner volt över en sträcka på en meter. Då dessa partiklar skjuts in i provet sker en mängd reaktioner och kollisioner med både atomernas elektroner och med atomkärnorna i provet. I en del av dessa reaktioner uppstår högenergetisk elektromagnetiskstrålning, i form av röntgen- eller gamma-strålning. Det kan också sändas ut laddade partiklar från provet, antingen i form av kärnreaktionsprodukter eller spridda partiklar från jonstrålen. Med rätt detektorutrustning kan denna strålning mätas och slutsatser kan dras om provets massfördelning och koncentrationen av olika grundämnen. Jonstrålen kan fokuseras ner till en tusendels millimeter och flyttas över provet, och på så vis bestrålas endast en liten del av provet åt gången. Genom att sedan flytta strålen över provet kan kartor över provets grundämneskoncentration och massfördelning skapas. I de flesta fall går det även att få ut på vilket djup i provet som grundämnet befinner på. Med hjälp av denna tredimensionella information kan man t.ex. studera hur olika ämnen fördelar sig i provet.Jonstråleanalysmetoderna kan med lätthet detektera de flesta grundämnena i det periodiska systemet. De svåra grundämnena är de som är lättare än aluminium. Dessa grundämnen är svåra eftersom sannolikheten för att de laddade partiklarna växelverkar med de lätta atomerna är liten för de reaktioner som används av de vanligaste jonanalysmetoderna.Målet med detta arbete är att utveckla redan existerande jonstråletekniker för att mäta väte, tungt väte (en vätekärna med en extra neutron) och bor. Analysen av förhållandet mellan väte och tungt väte utförs genom att en tung-vätekärna skjuts in i provet och om den kolliderar med en väteatom (vanligt väte eller tungt väte) så sprids både den inkommande väteatomkärnan och väteatomen ut genom provet och detekteras samtidigt parvis i två av de 2048 detektorerna som finns bakom provet. Boranalysen genomförs istället genom att en proton sänds in i provet och när denna stöter på en boratom så sker en kärnreaktion i provet. Vid kärnreaktionen bildas tre stycken högenergetiska heliumkärnor. Genom att detektera dessa kan koncentrationen av bor bestämmas.