Die Bestimmung von53Mn, Welches in Meteoritischem Material Durch Kosmische Strahlung Erzeugt Wurde,...

Journal o f Radioanalytieal Chemistry Vol. 2 (1969) 197--203

D I E B E S T I M M U N G V O N 53Mn, W E L C H E S I N M E T E O R I T I S C H E M M A T E R I A L D U R C H K O S M I S C H E S T R A H L U N G E R Z E U G T W U R D E ,

M I T H I L F E D E R N E U T R O N E N A K T I V I E R U N G

W. HERR, U. HERPERS, R. WOLFLE

lnstitul fiir Kernchemie der Unioersitiit zu Kiiln und Arbeitsgruppe "Institul fiir Radiochemie'" der Kernforsehunysanla,qe Jiilich ( B RD )

(Eingegangen am 13. Mai 1968, revidiert am 13. Juli 1968)

Among a number of stable and unstable nuclides formed in material exposed to cosmic radiation the spallation nuclide a3Mn (T = 2. 106a) is investigated in meteorit- ic manganese by combined techniques of neutron activation and advanced 7-spectrom- etry. The need for an economic use of precious meteorites is so ensured best. Intense neutron bombardment transforms the long-lived K-emitter 53Mn into Z*Mn, which is detected by its 0.84 MeV 7-rays. Using the (n,p) cross section - - recently derived by MILLARD - - 53Mn-values in the range of 60-600 dpm/kg (10 -al g/g) are found in a larger number of iron meteorite samples, which are only 1-3 g in weight. The deter- mination is very specific and under appropriate conditions unaffected by side reactions. The attempt to use the 4aTi (n,p)45Ti reactions for the analysis of spallogenic titanium failed, because the rrther m of 4*Ti was found to be unexpectedly low (10 barns). Addi- tionally, ~aSc was determined after (n,7) reaction by the 46Sc y,,,-cascades.

Allgemeines

1957 sagten SHELINE und HOOPER 1 voraus , dab in Meteor i t en u . a . auch ein langlebiges ~aMn-Isotop durch Spa l la t ions reak t ionen der kosmischen St rahlung gebi ldet wird. HONDA, SHEDLOVSKY und ARNOLD 2 konn ten dies dann einige Jahre sp~iter experimentel l bestfitigen. Obwohl die Halbwer tsze i t des 53Mn bisher n icht direkt , e twa mit Hilfe der K o m b i n a t i o n yon Massenspek t romet r i e und Zfihlung gemessen werden konnte , haben KAYE und CRESSY 3 die Halbwer tsze i t yon 53Mn au f (1.9 + 0.5) x 106 Jahre sch~itzen k6nnen. Die Absch~tzung be ruh t auf Akt i - vit~itsvergleichung von Eisenmeteor i ten sehr kurzer und langer terres t r ischer und sogenannter Strahlungsal ter . MILLARD 4 versuchte dann am Eisenmeteor i ten "Odessa" , dessen 53Mn-Gehalt HONDA gemessen hat te , das P r o d u k t yon Akt iv ie rungsquerschn i t t und Halbwer tsze i t des 5aMn zu bes t immen. Er fand den Wer t zu: (350 • 100) x l0 s barns x Jahre; daraus errechnet sich ein 53Mn- Akt iv ierungsquerschni t t yon 170 barn, wenn man eine (geschfitzte) Halbwer tsze i t yon 2 �9 108a zugrunde legt. Auch bei unseren Unte rsuchungen beziehen wir uvs vorerst au f diesen W e r t yon 170 b.

N u n ist zu bemerken, dab alle fr i iheren Messungen der 5aMn-Gehalte von Meteor i ten stets Einwaagen yon einigen 100 g und dazu spezielle, aufwendige

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198 w . H E R R et al.: BESTIMMUNG VON SZMn

"Low-level"-Zhhlger/~te erforderten. Die Herstellung einwandfreier Z~ihlpr/ipa- rate war zeitraubend und schwierig. Da 53Mn ein K-Strahler ist und lediglich eine weiche RGntgenstrahlung aussendet, mfissen die Pr/iparate, um die Selbstabsorp- tion mGglichst auszuschlieBen, recht gleichm/iBig und dfinn gefertigt werden. Dazu kommen die vielen Unsicherheiten, die der "Low-level"-Technik meist anhaften.

Daher sahen wit eine lohnende Aufgabe darin, zu versuchen, das Spallations- nuklid 5ZMn fiber die Einfang-Reaktion ~3Mn(n,7)~Mn in das bekannte 7-strah- lende 54Mn zu fiberftihren, und dieses auf Grund seiner 0.84 MeV y-Linie zu charakterisieren.

Experimenteller Teil

Das Element resp. das (stabile) Reinisotop 55Mn ist in Eisenmeteoriten norma|er- weise nur im 10-100 ppm-Bereich vorhanden (Tab. 1). Zur Bestimmung der chemischen Ausbeute und zur Isotierung wurden daher 5 mg Mn-Tr~iger zu jeweils 1 - 3 g Eisensp/inen gegeben. Nach dem AuflSsen in Salzs~iure und der Oxidation mit Wasserstoffperoxid wurde das Eisen als FeC13 mit )kther extrahiert. In der w~Brigen Phase wurde die Salzs~iure durch mehrfaches Abrauchen mit Salpeter- saure entfernt, das Mangan mit Persulfat zu Permanganat oxidiert und als Tetra- phenylarsoniumpermanganat ausgeffillt. Nach vorsichtigem Verglfihen zu Mn-Oxid wurde das Mangan in Schwefels~iure-Wasserstoffperoxid gelGst und durch Fallung

Meteorit

Bischtfibe Carbo C o l o m e r a Dura•go G r a n t H e n b u r y Leeds L i n w o o d Locust G r o v e Lombard [ o r e t o Baja Moril l Odessa Rhine Villa Smith's M o u n t a i n To luca Vaca Muerta

Tabelle 1

oa Om II

Om

of Om Om Ogg

H Om Om

0 9 Om

O f OD7 M

* ge~llen Typ o ge~nden

1888 ~ 1923 ~ 1912 ~

t 9 0 4 ~ 1929 ~ 1931 ~ 1931 ~

1940 ~ 1857 ~

1953 ~ 1896 ~ 1920 ~ 1922 ~

1900 ~ 1863 ~ 1776 ~ 1 8 6 V

S~Mn ppm

56 .4 + 2 .8 20.8 + 1.2

7.5 + 0 . 4 6

13 .2 + 0 . 6 5 52 .9 • 2 .4

199 .0 •

56 .2 W__ 2 .6 <- 4 . 9 5 - t - 0 . 3 8

1 3 4 . 0 _ _ 6 . 6

50 .3 • 3 .2 100 .2 + 4 . 5

N 1 1 . 2 + 0 . 6 5

9 .8 _., 1.2 33 .6 q- 1.9

<_16.3 + 1 . 8 < 6 .0 ___0.4

22 .8 --+- 1 .-4

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W. H E R R et al.: B E S T I M M U N G VON ~3Mn 199

mit Natronlauge-H20~ in Gegenwart yon Komplexon weiter gereinigt. Nach der Aktivierung erwiesen sich noch die Fgllung des MnO_o aus heif3er konz. HNO3 durch Zugabe von KC103 sowie Ionenaustauscher und papierchromatographische Methoden als sehr geeignet.

Die MnO2-Proben wurden im Reaktor mit einem therm. Neutronenflul3 von r = 6 • 1012 n.cm-'- ' , sec -1 4 Wochen lang bestrahlt (q5 schnell/q~ therm < 0.001). Die vorherige Abtrennung des Mangans vonde r Hauptmenge Eisen ist notwendig, weil durch 54Fe(n, p)54Mn ebenfalls 54Mn entstehen kann. Eine weitere StSrung durch die 5~Mn(n, 2n)5~Mn-Reaktion kann weitgehend unterdriickt wer- den, wenn ein mSglichst rein thermischer Neutronenflul3 verwendet wird. Zur Kontrolle des Flusses wurden (interne) ~SMn- bzw. CszSO4-Standards, zur Kon- trolle der Nebenreaktionen reine Fe2Oa- und MnO,-Standards mitbestrahlt. Ein Vorteil dieser Standards ist darin zu sehen, dab die Energie der 56Mn- und 134Cs-7- Peaks fast identisch mit der des 54Mn-;~-Peaks ist.

Der Einflul3 der genannten (n, p) und (n, 2n)-StSrreaktionen ist in der Tabelle 2 mit aufgeftihrt. Eine StSrung dutch die ~4Fe(n, p)54Mn-Reaktion macht meist nur ca 2 - 5 % aus. Die 55Mn(n, 2n)5~Mn-Reaktion erfordert eine Korrektur von der GrSBenordnung 10~ die natiirlich von der Bestrahlungsposition abh~ngt. Beide StSrungen lassen sich jedoch analytisch und auch radiometrisch genau er- fassen und werden bei der Auswertung beriicksichtigt.

Diskussion

In der letzten Spalte der Tabelle 2 sind unsere Ergebnisse an einer Reihe von Eisenmeteoriten zusammengefafAt. Die Fehlergrenzen beziehen sich auf die Stan- dardabweichungen der Z/ihlung und umfassen nicht die Unsicherheit, die noch mit dem Wert des 53Mn-Wirkungsquerschnittes (O'therm) verkntipft ist: Man erkennt, dal3 die 53Mn-Gehalte im Bereich von 5 0 - 600 Zerf/illen pro Minute und kg liegen. Das entspricht einer Gewichtsmenge von 10 -la g/g Meteorit, wie die vorletzte Spalte zeigt. Unsere Resultate stimmen auch recht gut mit denen anderer Autoren iiberein, die mit Low-level-Ger/iten und recht grol3en Einwaagen arbeiteten. 5-7

Die relativ hohen 53Mn-Gehalte der Meteorite "Duchesne'" (22.8 kg Fund- gewicht), "Puente del Zacate" (32 kg), "Tlacotepec" (70.6 kg) und "Trenton" (45.5 kg) lassen sich aus den Kenntnissen fiber die Abh~ingigkeit des Produktions- querschnittes von der Meteoritengr613e erkl/iren. Die relativ geringen 53Mn-Werte der Eisen "Cuernavaca" (35 kg) und "Moctezuma" (2 kg) k6nnen entweder gedeu- tet werden durch Selbstabschirmung der einfallenden kosmischen Strahlung, d.h. sie sind Teile eines grSl3eren MutterkSrpers gewesen, oder ihre Meteoritenmasse war zu gering, um das Maximum der Produktionsrate zu erreichen. Auch das sog. "terrestrische" und "Strahlungsalter" mul3 in Betracht gezogen werden. Der sicher recht komplizierte Sachverhalt 1/il3t sich nur durch vergleichende Messun- gen einer mSglichst grol3en Anzahl von Spallationskernen kl/iren.

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200 W, HERR et al,: BESTIMMUNG VON saMn

Meteorit

Ab6e b Arispe Carbo ~ Casas Grandes" Coahui la ~ Cuernavaca Duchesne E1 lnka ~ Moc tezuma Puente del Zacate Sichote Alin a St. Genevieve T a m b o Quemado Tlacotepec Tocopil la ~ Toluca ~ Tren ton a Treysa ~

Mn-S tanda rd

Mn-Standard"

M n - S t a n d a r &

Fe-S tandard

Fe-S tandard ~

Tabelle 2

Bes t immung yon ~aMn iiber die ~aMn(n,7)a~Mn-Reaktion

Proben- gewicht

[g]

0.752 1.485 1.462

10.180 1.498 3.104 3.1729 1.480 3.0267 3.0177

10.070 3.1554 3.0772 3.0952 1.498 1.945

10.410 1.506

i

li!i~oen ~. Bestrahlt Mn- .~aM n + Trfiger SSMn

[rag] [mg]

2.5 77.0 [ 4.28 5.0 94.2 I 4.72 5.0 81.0 [ 4.06

10.54 52.l I 5.495 5.0 75.0 I 3.76 5.0 80.551 4.82 5.0 45.8 [ 2.80 5.0 86.0 I ~..31 5.0 69.051 4.11 5.0 70.251 3.87 5.06 65.7 3.32 5.0 69.4 3.92 5.0 i 81.65 4.57 5.0 66.4 4.27 5.0 93.0 4.66 5.0 18.r 4.24 5 . 0 6 74.0 3.74 5.0 71.2 3.57

- - I 55Mn

- - 1 '~aMn

- - - - - - 1 ~ M n

- - - - - - 1 Fe

. . . . . 1 F e

2. Re- cycl. Aus- beute

dz [~]

~Mn da = d2 =

= 100% [dpm]

60.6 561 65.3 656 20.5 1599 90.6 3130 76.0 248 54.9 514 58.75 3670 56.41 953 60.551 876 39.95] 3515 53.01 4920 34.9 924 58.3 3420 56.95i 5055 65.8 ~ 1265 79.5 1950 8 8 . 3 9010 46.0 . 2130

59.4 i

35.1 i

9 3 . 0 :

74.3

94.0

26.6 (n, 2n)

14.2 (n, 2n) 32.0

(n, 2n) 80

(n, p) 109

(n, p)

S~Mn SSMn [10-11 g/g] [dpm]kg]

#

2.52 189+ 9 112_+ 7

1"491 276+ 12 3.69 ~ _ 2.75 i 210+ 6 0.59 t 44--+- 5 0.786 5 9 + 7 5.5 412_+34 2.17 163-t- 8 1.37 103_ 10 5.52 4 1 4 + 2 2 4.37 335-t- 8 1.39 104-I-11 5.28 395-/-21 7.76 581-I-32 2.85 214-t- 9 3.38 254-t- 11 7.68 590• 14 4.77 358_+_ 14

Bestrahlung: 328 h Bestrahlung": 168 h Bestrahlungb: 656 h Thermischer NeutronenfluB: 6 x 10 'e n �9 cm -z . sec -J d, = ist die chemische Ausbeu te des Mn-Trfigers vor der Reaktor -Bes t rah lung d., -- ist die chemische Ausbeute des bestrahl ten Mn

G e g e n f i b e r d e r M e s s u n g d e r K - S t r a h l u n g h a t d i e A k t i v i e r u n g s m e t h o d e f o l g e n d e

V o r t e i l e :

1. D i e Z f i h l r a t e w i r d u m vie le Z e h n e r p o t e n z e n e r h 6 h t u n d d i e M e g z e i t e n w e t -

d e n e n t s p r e c h e n d ve rk i J r z t , d a d u r c h k 6 n n e n a u c h n o c h k l e i n e S u b s t a n z m e n g e n

a u f 5aMn a n a l y s i e r t w e r d e n .

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W, H E R R et al . : B E S T I M M U N G V O N ~3Mn 201

2. Die SpezifitM des ~-spektrometrischen Nachweises ist sehr groB und auch die chemische Aufbereitung der Proben ben6tigt nur einen relativ bescheidenen Aufwand.

Der yon uns verwendete Millardsche Neutronenaktivierungsquerschnitt ffir 53Mn ~therm = 170 barn wurde, wie wir bereits erw/ihnt haben, nicht direkt, sondern nur aus dem Produkt von Halbwertszeit und Aktivierungsquerschnitt (a) bestimmt. Er ist daher mit der grol3en Unsicherheit dernur aus kosmologischen Vergleichungen bekannten Halbwertszeit (T) behaftet. Eine weitere Unsicherheit rfihrt aus der schwierigen Z/~hlung der sehr niedrig energetichen K-Strahlung her. Daher beabsichtigen wir, und haben diese Aufgabe schon in Angriff genommen, durch eine lj/ihrige "Langzeit"-Bestrahlung bei hohem NeutronenfluB (~ = 10 la

n. cm- 2. sec-l) an einer aus Meteoriten gewonnenen 53Mn-haltigen Manganprobe den Einfangquerschnitt (O'therm) und damit die Halbwertszeit dieses Nuklids genauer zu bestimmen. Hierzu soll die ~3Mn(n, ?)5~Mn-Aktivit/it jeweils zu Beginn und am Ende der Langzeitbestrahlung gemessen werden. Folgende Kernreaktionen sind dabei zu betrachten:

x ~ j ~ _ 5'tCr (stabil)

~3Mn > (n, 7) 5~Mn (n, V) 55Mn (stabil)

Da 54Mn wie 22Na ein u, u-Kern ist, und "2Na den sehr hohen Einfangquerschnitt yon 9 -10 4 barn ffir therm. Neutronen besitz( ~ mug hier ebenfalls mit einem relativ hohen Einfangquerschnitt gerechnet werden, der bei gleichzeitiger Be- strahlung eines "trfigerfreien" 54Mn-Prfiparates gesondert bestimmt werden soll. Aus der Kombination der entsprechenden Aktivierungsgleichungen erhNt man dann eine Gleichung, aus der sich der Wirkungsquerschnitt des Mangan-53 er- mitteln 1/iBt.

Neutronenaktivierung yon meteoritischem 44Ti

Im Zusammenhang mit unserer Untersuchung tauchte die Frage auf, ob nicht auch im analogen Fall des 44Ti (T = 47.3 a) eine Neutronenaktivierung zu 45Ti (/~+-Strahler, T = 3.1 h) MeBvorteile bringen k6nnte. Eine 10-Stunden- Reaktorbestrahlung von 0.1/tCi eines trfigerfreien 44Ti-Prfiparats in einem Neutro- nenfluB yon ~ = 5 �9 1013 n. cm-"- sec -~ ergab jedoch ffir den Aktivierungsquer- schnitt fftherm ~ 10 barn. Dieser Wert erweist sichjedoch damit als zu niedrig, um eine Bestimmung dieses Spallationsnuklids fiber die 44Ti(n, V)45Ti-Reaktion erfolg- reich durchffihren zu k6nnen.

Scandium-Best immung

Scandium ist in Eisenmeteoriten nur in Spuren der GrOf3enordnung 10 -9 g/g vorhanden, und wie W~NKE s'~ vor einigen Jahren zeigen konnte, zumeist spalloge- ner Herkunft. Wir haben die induzierte ~6Sc-Aktivit/it auf Grund ihrer 0.89 und

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202 w . H E R R et al.: B E S T I M M U N G VON 5~Mn

1.12 MeV 7-Linien (Abb. 1) in Koinzidenz gemessen, und einige Teilergebnisse in die Tabelle 3 aufgenommen. Eine Interferenz durch die 46Ti(n, 7)46Sc Kern- reakt ion mug beriicksichtigt werden, doch kann sie die Bes t immung nicht

ernstlich geffihrden. Zur chemischen A b t r e n n u n g des Sc hat sich die Ffillung mit Na-Inos i thohexa-

phosphat sehr bew/ihrt. Mit Ausnahme des aSSc-Wertes des Meteori ten " T r e n t o n " liegen alle Da ten in

der erwarteten Gr6Benordnung. Mit einer K o n t a m i n a t i o n durch "normales" Sc, das sich in silikatischen Einschltissen oder in Korrosionsrissen etc. befinden kann, ist allerdings immer zu rechnen.

~Sc 4 + - (84 d) 0

x ' ~ 100 %

,~0.004 % ~ I 2.oo4

'~,~, 8 x10-125 ~ 2 + 0.885

o+ o

Abb. l. Zerfallsschema des ~6Sc

Tabelle 3

Meteorit

Arispe Casas Grandes Duchesne Sicbote Alin Trenton Treysa Sc-Standard

Bestimmung yon Scandium in Eisenmeteoriten durch ~Sc(n,7)J"Sc

Einwaage ! ~GSc net. Koinz. [g] ] [Imp./min]

I

0.9579 0. l l 0.9593 1.15 0.9289 0.37 0.7795 0.5 1.0264 941 0.5437 0.667

- - 151

15So

110 ~ g]

0.765 8.0 2.58 0.13

65 4.63

1050

Chem. Aus- beute [%]

91.4 94.6 85.5 90.1 91.2 79.5

~5Sc I10 -9 g/g]

0.875+ 0.056 8.83 ___ 0.5 3.25 +0.2

<0.18 -t-0.05 69.3 +4.5 10.7 +0.51

Ffir eine F6rderung dieser Arbeit sind wir der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Bad Godesberg, zu groBem Dank verpflichtet.

J. Radioanal. Chem. 2 (1969)

W. HERR et al.: BEST1MMUNG VON ~Mn 203

Literatur

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