Aktivierungsanalyse mit energiereichen Projektilen: Genauigkeit bei der Berechnung der...

Z. Anal. Chem. 267, 96--99 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

Aktivierungsanalyse mit energiereichen Projektilen: Cenauigkeit bei der Berechnung der Nachweisgrenze*

U. J~ger und H. Miinzel

Institut fiir Radiochemie, Kernforschungszentrum Karlsruho

Eingegangen am 16. April 1973

Activation Analysis with Medium-Energy Projectiles: Accuracy in Calculating the Detection Limit. The investiga- tions which have been limited to the type of (i, xn) reactions have shown that in practically all cases the detection limit can be determined with sufficient accuracy to a factor of two using either the experimentally determined excitation functions or the excitation functions estimated by systcmatics.

Zusammen]assung. Die Untersuchungen, die sich auf den Typ der (i,xn)-Reaktionen beschr~nken, zeigen, dab man sowohl mit ttilfe der experimentell bcstimmten Anregungsfunktioncn, als auch mit den dutch einc Systematik abgesch/~tzten Anregungsfunktionen in praktisch allen F/illen die Nachweisgrenze auf einen Faktor zwei genau bestimmen kann, was ausreichend ist.

Aktivierungsanalyse; energiereiche Projektile, Gcnauigkeit der Nachweisgrenze.

Die Anwendung der Aktivierungsanalyse zum Spu- rennachweis ist hinreichend bekannt. Zur Ent- scheidung, ob energiereiche Projektfle giinstig ein- gesetzt werden kSnnen, ist die Kenntnis bzw. die Berechnung der Iqachweisgrenze in Abhiingigkcit yon Projektil und Encrgie wiinschenswert. In diese Berechnungen gchen viele Faktoren tin, u. a. Teilchcn- fluB, Anregungsfunktionen, Detektor- und MeB- gcr~teeigenschaften. Es ist daher wichtig zu wissen, wclchen Fehler diese GrSBen haben, da dercn Genauigkeiten den Fehlcr der so berechncten Nach- wcisgrenzen bestimmen. Die meisten dieser GrSBcn h/~ngen yon den individuellen Bestrahlungs- und MeBeinrichtungen ab, nicht dagegcn die Anrcgungs- funktionen, die der Literatur oder ciner Systematik entnommen werden. Dicsc Arbeit befaBt sich mit der Untersuchung der Gcnauigkcit der Anregungs- funktionen, die ein wesentlicher Faktor bei der Berechnung der Nachweisgrenze sind.

Ffir geladene Teflchen erfolgte dies durch den Ver- gleich dcr Ausbeute dicker Targets, die mit Hflfc der yon verschicdenen Autoren ermittelten An- regungsfunktionen gleicher Reaktionen bcrechnet wurden. Der Mittelwert M~ der Ausbeute fiir eine Reaktion wurde bestimmt und mit den individuellen Werten verglichen, ttierbei wird der Mittelwert als der wahre Wert behandelt. Es mag dies etwas flag- wiirdig erscheincn, aber es war der einzige Weg,

* Vortrag anli~Blich der Tagung ,,Spurenanalyse", 2. bis 5. April 1973 in Erlangen.

wenigstens eine N/~herung fiir die Genauigkeit der Anregungsfunktionen zu erhalten.

Als Beispiel dienten (a,xn)- und (p,xn)-Reaktionen. Es wurden alle Reaktioncn dieses Typs benutzt, yon denen zwei odor mehr Anregungsfunktioncn experimentell bestimmt wurden. Als Grundlage diente die umfangreiche Zusammenstellung yon Anregungsfunktionen fiir geladene Teilchcn im Landolt-B6rnstein [2].

Die Hi~ufigkeit und Verteilung der Abweichungen vom Mittelwert Ma zeigt das Histogramm der Abb. 1. Um einen Eindruck von der Wahrschein- lichkeit zu gebcn, dab die Abweichung klcinor als tin bestimmter Wert ist, wurde das I-Iistogramm auf- summiert. Das Ergebnis ist im oberen Tell der Ab- bfldung gezcigt. Man sieht zum Beispiel, dab in 700/0 der bctrachtcten F~lle die Abweichungen kleiner als 20~ sind.

Man sollte bci diesen Betrachtungen beriicksichti- gen, dab in den hier untersuchten F~llen die Autoren meistens die vorhergehenden VerSffentlichungen der Anregungsfunktionen kennen, und daher flare Ergebnisse nochmals sehr sorgfi~ltig iiberpriifen, falls Abweichungen auftreten. Deshalb ist es mSg- rich, dab in einigen F~llen, wo nur eine Anregungs- funktion bekannt ist, die Gcnauigkeit nicht ganz so gut ist, wie aus Abb. 1 zu erwarten w~re.

Weiterhin interessiert die Frage, ob die Abweichun- gen innerhalb der angegcbenen Fehlergrenzen liegen. Da f/Jr die gesamte Anregungsfunktion kein Fehler

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Rs 3

Abb. 1. Verteilung der Abweichungen der Ausbeute dicker Targets vom Mittelwert f/ir Reaktionen mit geladenen Teilchen. Der obere Teil zeigt die Summation des Histogramms

2~bb. 2. Verteilung des Quotienten -RE fiir geladene Teilchen. RE ist der Quotient aus den Einzelabweiehungen der bereeh- neten Ausbeute dicker Targets und den in den VerSffent- liehungen angegebenen Fehlern. Der obere Teil zeigt die Summation des tlistogramms. (Die Abszisse ist bis 1,0 in Schrittweiten yon 0,1 eingeteilt und dariiber i~ die ent- spreehenden reziproken Schrittweiten.)

7 Z . A n a l . C h e m . , B d . 2 6 7

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4

Abb. 3. Verteilung des Quotienten Rs fiir geladene Teilchen. -Rs ist dcr Quotient aus der Ausbeute dicker Targets, die mit Hitfe einer Systematik ermittelt wurden, und den experi- mentellen Mittelwerten. Der obere Teil zeigt die gemeinsame Summation der entsprechenden Verteilungen beiderseits des Mittelwerts. (Die Abszisse ist bis 1,0 in Schrittweiten yon 0,1 eingeteilt und dartiber in die entspreehenden reziproken Sehrittweiten.)

Abb.4. Verteilung der Abweichungen der Ausbeute dicker Targets yore Mittelwert fiir Reaktionen mit 14 MeV Neu- tronea. Der obere Teil zeigt die Summation des Histogramms

98 Z. Anal. Chem., Band 267, Hef~ 2 (1973)

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RE Abb.5. Verteilung des Quotienten -Re ffir 14 MeV Neu tronen. RE ist der Quotient aus den Einzelabweiehungen der berechneten Ausbeute dicker Targets und den in den Ver- 6ffentlichungen angegebenen Fehlern. Der obere Teil zeigt die Summation des Histogramms. (Die Abszisse ist bis 1,0 in Schrittweiten yon 0,1 eingeteilt und dariiber in die ent- sprechenden reziproken Sehrittweiten.)

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Rs Abb. 6. Verteilung des Quotienten Rs fiir 14 MeV Neutronen. Rs ist der Quotient aus der Ausbeute dicker Targets, die mi~ Hilfe einer Systematik ermittelt warden, und den experi- mentellen Mittelwerten. Der obere Teil zeigt die gemeinsame Summation der entspreehenden Verteilungen beiderseits des Mittelwerts, (Die Abszisse ist his 1,0 in Sehrittweiten yon 0,1 eingeteilt und dariiber in die entspreehenden rezi- proken Schrittweiten.)

angegeben wird, sondern nur ffir die einzelnen Wir- kungsquersehnitte, werden diese Fehler als Naherung benutzt. Der Quotient der prozentualen Abweiehung veto Mittelwert zu den in den VerSffentlichungen angegebenen Fehlern wurde bereehnet. Die Ver- teilung dieser Werte ist im unteren Tell der Abb. 2 gezeigt. Die Summation des ttistogramms im oberen Teil des Brides zeigt, dab nur 60 ~ der Abweichungen kleiner sind als die angegebenen Fehler.

In den F/~llen, we keine experimentellen Anregungs- funktionen vorhanden sind, kann man mit ttilfe einer Systematik die entspreehenden Werte er- mittetn. Um einen Eindruek yon tier Genauigkeit soleher Werte zu geben, wurden damit wiederum die Ausbeuten dicker Targets bereehnet und mit den schon vorher benutzten MSttelwerten Ma vergliehen.

)As Basis fiir diesen Teil der Untersuehung diente die in unserem Laboratorium entwiekelte Syste- matik [3]. Die Verteilung der Abweiehungen vom experimentellen Mittelwert zeigt das I-Iistogramm der Abb.3. Die Wahrseheinliehkeit, dab die Ab-

weichungen kleiner sind als ein bestimmter Faktor bzw. dessen reziproker Wert, zeigt der obere Teil des Brides. Dieses Ergebrds wurde dureh gemeinsame Aufsummierung der entspreehenden Abweichungen beiderseits des Mittelwertes erhalten. Es zeigt sich, dab in 500/0 der F/~lle die Abweiohungen kleiner als ein Faktor 1,25 und in 90~ der F/~lle kleiner als ein Faktor 2 sind. Eine extreme Abweichung tr i t t im Fall der Reaktion 54Fe(~, 2n) auf, wobei der doppelt magnetisehe Kern 5sNi entsteht.

~hnliehe Untersuehungen wurden aueh fiir 14 MeV Neutronen durehgefiihrt. Von den ffir eine Reaktion ver6ffentliehten Wirkungsquersehnitten [4] wurde der Mittelwert bereehnet. Um einen Eindruek yon der Genauigkeit der Wirkungsquersehnitte zu erhalten, wurden die Einzelwerte mit dem Mittelwert ver- gliehen. )As Beispiel wurde die (n, 2n)-Reaktion gew/~hlt. Die Verteilung der Abweiehungen der Einzelwerte veto Mittelwert zeigt das Histogramm in Abb.4. Die Wahrscheinliehkeit, dab die Abwei- chungen vom Mittelwert kleiner sind als ein bestimm-

U. J~ger trod H. Mfinzel: Aktivierungsanalyse mit energiereichen Projektilen 99

ter Wert, zeigt die Summation des Histogramms im oberen Teil der Abbildung. Man erkennt, dab in 800/0 der F/~lle die Abweiehungen der Einzelwerte vom Mittelwert kleiner als 200/o sind.

Der Vergleich der angegebenen Fehler mit den Ab- weichungen yore Mittelwert ist in Abb. 5 dargestellt. Die Kurve ist der ffir geladene Teflchen sehr /~hn- lich. Wiederum sind nur 60o/0 der Abweichungen innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen.

Die berechneten (n, 2n)-Wirkungsquersehnitte von Pearlstein [5] warden mit den experimentellen Mittel- werten verglichen. Abb. 6 zeigt das Ergebnis. Danach sind mehr als 70~ der Abweiehungen kleiner als ein Faktor 1,25 und alle Werte besser als ein Faktor 2.

Ausbeuten dicker Targets konnten wegen zu weniger Daten nicht berechnet werden. Eine Systematik yon Anregungsfunktionen z.B. ffir (n, 2 n)-Reaktio- nen wurden yon Krivan u. Miinzel entwickelt [1]. Eine umfangreiehe experimentelle Uberprfifung der bei gegebenen Bestrahlungsbedingungen mit Hflfe der Systematik vorhergesagten Ausbeuten ergab bis auf eine Ausnahme eine Ubereinstimmung, die besser als 25~ war.

Literatur

1. Krivan, V., Mfinzel, H.: J. Inorg. Nucl. Chem. 84, 2989 (1972)

2. Lange, J., ~iinzel, H., Keller, K. A., Pfennig, G.: ,,Ex- citation functions for charged-particle induced nuclear reactions" ~ Landolt-BSrnstein: Zahlenwerte und Funk- tionen aus Natmwzissenschaften und Technik. N.S. Gruppe I, Bd. 5b: Nuclear reactions. Berlin-Heidelberg- New York: Springer 1973

3. Miinzel, H., Lange, J., Keller, K.A.: Systematics of excitation functions for nuclear reactions induced by p, d, aHe, and ~.! Landolt-BSrnstein: Zahlenwerte und Funktionen aus Naturwissenschaften und Technik. N.S. Gruppe I, Bd. 5e: Nuclear reactions. Berlin-Heidelberg- New York: Springer 1973

4. Neutron cross sections, Brookhaven National Laboratory Report No. BNL 325, Second Edition, Supplement No. 2, 1964-- 1966

5. Pearlstein, S.: Nuel. Data, Sect. A 8, 327 (1967)

Dr. U. Jigger Inst. f. Radiochemie Kernforschungszentrum D-7500 Karlsruhe Postfach 3640 Bundesrepublik Deutschland

Z. Anal. Chem. 267, 99--103 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

Spurenanalyse yon Sauerstoff in Kupfer und Silicium mit Hilfe der Funken-Massenspektrometrie

H. E. Beske, G. Frerichs und F. G. Melchers

Zentralinstitut fiir Analytische Chemic der Kernforschungsanlage Jiilieh

Eingegangen am 5. ~ai 1973

Trace Analysis o/Oxygene in Copper and Silicon by Spark Source Mass Spectrometry. This report deals with the improvement of the detection of oxygen in metals by spark source mass spectrometry. The parameters determining the detection limit for gases are discussed. Through the application of a helium cryopump it is possible to detect oxygen in metals safely down to 1 ppm. The examples of oxygen in copper and silicon demonstrate this experimentally. The independence from the matrix elements and the possibihty of the simul- taneous determination of almost all impurities are characteristic properties of this method.

Zusammen/assung. Es wird fiber die Verbesserung des Nachweises von Sauerstoff in Metallen mit Hilfe der Funken-Massenspektrometrie beriehtet. Die Parameter, die die Nachweisgrenze dieser Methode fiir Gase bestimmen, werden diskutiert. Dutch Verwendung einer Heliumkryopumpe im Ionenquellenbereieh ist es m6glich, Sauerstoff in Metallen bis 1 ppm sicher nachzuweisen. Am Beispiel yon Sauerstoff in Kupfer und Silicium wird dies experimentell gezeigt. Die Unabh/~ngigkeit yon der Matrix und die M6glichkeit der gleich- zeitigen Bestimmung fast aller Verunreinigungen sind charakteristische Eigenschaften dieser Methode.

Best. yon Gasen, Sauerstoff in IV[etallen, Kupfer, Silicinm; Massenspektrometrie; Funkenanregung, Kryopumpe.

* Vortrag anl/~Blich der Tagung ,,Spurenanalyse", 2. bis 5. April 1973 in Erlangen.

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