Z. Anal. Chem. 267, 274--277 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

Schnelle Trennung von RiickstoBprodukten in der Gasphase*

K. B/tchmann, W. B6gl und K. Bfittner

Fachbereich anorg. Chemic und Kernchemie der Teehn. Hoehsehule, Darmstad~

Eingegangen am 16. April 1973

Rapid Separation o/Recoil Products in Gaseous Phase. Experiments are described in which recoil products are separated fast and selectively. The aim of these investigations is an identification of short-lived nuclides, either for the study of nuclear reactions or for the study of decay properties of new products. The recoil products were provided by a Cf-252 source. The transportation zone and the identification zone could be heated to different temperatures. Using N~ as carrier gas it was possible to separate To selectively under certain experi- mental conditions. When C12 was added, Sb, Te, Nb, Me, Zr, Ru and Sn were transported. Transport output was determined in dependence of temperature and composition of the gas.

Zusammen/assung. Es werden Untersuchungen beschrieben, bei denen RiickstoBprodukte schnell und selektiv in der Gasphase aufgetrennt werden. Ziel dieser Untersuchungen ist es, kurzlebige Kerrrreaktionsprodukte zu identifizieren, einerseits zum Studium der Kernreaktion und andererseits zur Messung yon Zerfallsdaten neuer Nuklide.

Die Rfickstotprodukte wurden yon einer Cf-252-Quelle geliefert. Transportstrecke und ,,Kfihlfalle" konnten ~ auf verschiedene Temperaturen gebracht werden. Mit N 2 als Tr/~gergas war es mSglich, unter ge- eigneten Bedingungen Te selektiv abzutrennen. Dureh Zugabe yon CI~ wurden Sb, Tc, Nb, Me, Zr, Ru und Sn transportiert. Transportausbeuten in Abh/~ngigkeit yon der Temperatur nnd der Gaszusammensetzung wurden bestimmt.

Trenn. der RfickstoBprodukte yon Californium-252; Gasphase.

Untersuehungen yon Rfiekstogkernen, die bei Kern- reaktioncn entstehen, sind einerseits notwendig zur Aufld/~rung des Mechanismus dieser Kernrcaktionen und andererseits wichtig ffir die Messung yon Zer- fallseigenschaften neuer Nuklide. Insbesondere bei Reaktionen mit schweren Ionen werden Kerne cnt- stehen, die entweder eine sehr hohe Protonenzahl besitzen (supersehwere Kcrne) oder weir ab yon der Linie der fl-Stabifit/~t liegen und deshalb kurzlebig sein werden. Aul]erdem mull man annehmen, dab ein sehr komplexes Spektrum an Kernreaktions- produkten entsteht und dal~ ein Tefl der Reaktionen mit extrem kleinen Wirkungsquerschnitten abl/~uft. Experimentell mfissen deshalb Methoden entwiekelt werden, die es erlauben, wenige Atome selektiv in sehr kurzer Zeit abzutrennen. Da es bei einer Produktion yon wenigen Atomen pro Tag wfin- sehenswert ist, fiber einen 1/h~geren Zcitraum ein bestimmtes Element abzutrennen, sind kontinuier- fiche Methoden vorzuziehen. In tier vorliegenden Arbeit wird deshalb eine schnelle Abtrennung yon Elementen in der Gasphase besehrieben.

* Vortrag anla$1ich der Tagung ,,Spurenanalyse", 2. his 5. April 1973 in Erlangen.

Abb. 1 zeigt sehematiseh einen Aufbau ffir schnelle Trennungen in der Gasphase. Die hoehenergetischen Ionen werden in einem Gasstrom gebremst und zum Teil in ,,heiBen" Reaktionen, zum Teil in thermali- sierten Reaktionen flfiehtige Verbindungen gebildet. Diese flfiehtigen Verbindungen werden fiber eine heizbare Streeke transportiert, wobei eine Trennung durehgeffihrt werden kann. Am Ende des Trans- portweges findet eine Identifizierung statt. Die Identifizierung erfolgt fiber die Zerfallseigenschaften yon Nukliden und fiber das physikaliseh-chemische Verhalten tier Elemente bzw. Verbindungen. Die einzelnen Molekfile werden in Abh/~ngigkeit vom Wandmaterial und tier Temperatur an einer be- stimmten Stelle adsorbiert. Diese im Amerikanischen als ,,sticking probability" bezeiehnete Eigenschaft kann zu einer analytischen Methode ffir die Identi- fizierung sehr geringer Mengen an Molekfilen ent- wiekelt werden [3].

Abb. 1 sell weiterhin veransehauliehen, dab die Zielsetzung dieser Arbeit kernchemisch ist, dab die experimentelle Durehffihrung jedoeh die LSsung von physikalisch-chemischen bzw. analytischen Pro- blemen erfordert.

K. B~ehmann et al. : Schnelle Trennung yon Rfickstol3produkten in der Gasphase 275

Abb.2 zeigt die experimentelle Anordnung. Als Quelle der RfiekstoBionen dient Cf-252, das etwa 30 Elemente abgibt. Die Identifizierung erfolgt dureh Aufnahme der y-Spekr mit einem hoeh- auflSsenden Germanium-Lithiumdetektor. Durch ein elektronisch gesteuertes Ventil kann der Gasstrom in festgelegten Zyklen in die ,,Kfihlfalle" geleitet werden. Die StrSmungsgeschwindigkeit betr/~gt zwi- sehen 0,5 m/see und 6 m/see, die Temperatur der Reaktions- bzw. Transportstrecke wird variiert zwisehen 25~ und 400~

Ehe auf einzelne Systeme eingegangen wird, soll das Prinzip der Identifizierung erl/~utert werden. Die Linien yon Nukliden, deren Zerfallssehema bekannt ist, kSnnen Tabellen entnommen werden und so das Verhalten einiger Nuklide eines Elements untersueht werden. Ein groBer Teil der Linien in einem Spektrum ist nicht eindeutig identifizierbar. Linien, die jedoeh zu einem bestimmten Element gehSren, mfissen sich physikalisch und chemiseh gleich verhalten (wenn keine Vorl/iufer beteiligt sind). Abb.3 zeigt das am Beispiel eines Te- and J-Spektrums. J wird bei einer Temperatur von 0~ in der Kfihlfalle adsorbiert, bei einer Temperatur yon 100~ jedoch verdampft, w/ihrend die Te- Aktivit/it bei beiden Temperaturen gleich bleibt. Das heiBt, man kann ein Element dadureh identi- fizieren, dab man die Abhangigkeit der Peakfl~ehe yon der Kfihffallentemperatur bestimmt. Weiterhin kann man das Wandmaterial und die Temperatur der Transportstreeke Kndern (Abb. 4). Das ehemische Verhalten einer Linie ist ebenfalls charakteristiseh ffir die Elemente. So be~rk t im Beispiel der Abb.4 die Zugabe yon Sauerstoff eine Abnahme des Transports, w/~hrend die Zugabe yon C12 zu einer Zunahme des Transports fiihrt.

Tab. 1 gibt einen ~berbliek fiber die bisher ver- wendeten ,,Tr/~gergase" bzw. ,,reaktiven Gase" und die transportierten Elemente. Bei den Elementen ohne Fragezeiehen ist es sicher, dal~ sie in die Kiihl- falle transportiert werden, bei den Elementen mit Fragezeiehen kann nicht ausgeschlossen werden, dab es sieh lediglieh um Folgeproduk~e der ~rans- portierten Elemente handelt.

Verwendung yon Inertgasen

Da hoehenergetische Metallatome bzw. Metallionen sehr viel aktiver sind als die Metalle selbst [4,5], mfissen aueh auBergew5hnliehe Reaktionen mit Inertgasen in Betraeht gezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden als inerte Tr/igergase N~ und Ar verwandt. Neben den Edelgasen werden in

18"

Tabelle 1. Transportierte Elemente in Abh~ingigkeit vom verwendeten Gas

Gas N~ Ar CI~ CCla 02 �9 CH~, �9 C2H 5

Trans- J J Zr J Te TI portierte Xe Xe Nb Xe Ru? Bi Elemente Te Te Mo Rh? Pb

Tc J Rn Ru Xe Rh Sn Sb Te? J Xe

der , , K f i h l f a l l e " g und Te gemessen [1, 2]. Ein Tell des J entsteht als Folgeprodukt des Te, ein Teil wird direkt transportiert. Der Transport yon Te konnte siehergestellt werden, da bei 400~ in der Transportstreeke und Iq~ als Tr/~gergas die Vorli~ufer Sb und Sn nieht transportiert werden. Eine Aussage fiber die ehemische Form des transportierten Te kann nieht ohne weiteres erfolgen. Der Dampfdruek yon Te ist h5her als derjenige der meisten anderen Spaltprodukte (mit Ausnahme yon Cs, Rb und Cd), so dab ein Transport yon elementarem Te mSglich ist. Eine Clusterbildung mit N 2 oder Ar kann jedoch nieht ausgesehlossen werden. Experimentell widerlegt wurde dureh vollst/~ndiges Entfernen des 0 3 im Stiekstoff, dal3 der Sauerstoff beim Transport eine Rolle spielt.

Verwendung yon (31. z als reaktives Gas

Bei einer Reihe yon Experimenten wurde kurz hinter der Cf-252-Quelle CI~ hinzugegeben, wobei die ,,Kfihlfallentemperatur" und die Temperatur der Transportstreeke variiert wurden. In der Kfihlfalle wurden die Elemente J, Te, Sb, Sn, Ru, Tc, Mo, Nb, Rh und Zr gemessen. Damit ist jedoeh nieht bewiesen, inwieweit diese Elemente direkt transportiert werden oder in~fieweit es sieh um Folgeprodukte handelt. Die Chlorierung bewirkt zwar den Transport sehr vieler Elemente, erseheint aber nieht sehr selektiv. Die Selektivit/~t kann fiir bestimmte Elemente erhSht werden dureh ~nderung der Tcmperatur der Transportstreeke bzw. der Kfihlfalle oder durch Zugabe yon anderen Gasen wie z.B. Sauerstoff und dureh Variation des Wandmaterials.

Dieser Berieht gibt nur einen Aussehnitt aus unseren bisherigen experimentellen Ergebnissen. FaBt man jedoeh alle Ergebnisse zusammen, dann kann man sagen, daB dureh Variation aller mSg- lieher Parameter, wie Gaszusammensetzung, Tern-

276 Z. Anal. Chem., Band 267, Heft 4 (1973)

Gas "--' ( / / / / / / / / / / / / ~ I Iffl

R#ckss Tmnsport§ Identifizierung ( Cf-252 )

Adsorption "sticking Aerosolbildung probability '"

Reaktionen Clusterbildung 7-Spektroskopir hochenergetischer Schn. Trennungen

Ionen mit in d. Gasphase MoleMJlen z, B. Thermochromat o-

graphie \ J

~ CHEMISCHE PROBLEME ~

Kerneigensch. kurz/e biger Nuklide supers chwere Elemente Ke mreak tione n (L adung s -

dispersionen bei Spa~tung)

Z/EL

i BLEI

r l w~,~ Z d U f ~ N f l ~ L I

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. . . . . 4. lZ ~ ROTAMETER HE/Z-/KE/HL= HFEL~ - I KUhr.-

N21'4r102 021Cl2 HE/Z~KOHL- 1 FLO55/GKEIT

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Abb. 1. Schema der experimentellen Anordnung zur schnellen Abtrennung in der Gasphase

Abb. 2. Experimentelle Anordnung zur Trennung yon Rfick- stoBprodukten einer Cf-252-Quelle

Abb. 3. 7-Spektren bei der Verwendung yon N~ als Inertgas und 400~ in der Transportzone. Oberes Spektrum 100~ in der Kiihlfalle, unteres Spektrum 0~ in der Kfihlfalle

Abb. 4. Abh~ngigkeit der Transportausbeute eines Elementes yon den m6glichen Parametern

K. B~ehmann et al. : Schnelle Trennung yon Rfickstollprodukten in der Gasphase 277

peratur der Transportstrecke und dcr Kiihlfalle, Wandmaterial und StrSmungsgeschwindigkeit, das Ziel, einzelne Elemente schnell, selektiv und in sehr geringen Mengen abzutrcnnen, ffir einige Elemente sieher, fiir viele Elemente mit grol]er Wahrschein- lichkeit erreicht werden kann.

Fiir die finanzielle Unterstiitzung danken wir der ,,Gesell- schaft fiir Schwerionenforschung", Darmstadt.

Literatur 1. B5gl, W., B~ehmann, K., Biittner, K. : eingereicht Radio-

ehim. Aeta

2. BSgl, W., B~ehmann, K., Biittner, K., Moheit, N.: In- org. Nuel. Chem. Letters 9, 405 (1973)

3. Grover, J. R., Lilenfeld, H. V.: Nucl. Instr. Meth. 105, 189 (1972)

4. Siegel, B.: Quart. Rev. Chem. Soe. 19, 77 (1965) 5. Timms, P.L.: Advan. Inorg. Chem. Radiochem. 14,

121 (1972)

Prof. Dr. K. B~chmann Faehbereieh anorg. Chemic u. Kernchemie der Techn. Hochschule D-6100 Darmstadt Hochsehulstralle Bundesrepublik Deutschland

Z. Anal. Chem. 267, 277--280 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

Trennung der RiickstoBprodukte von Ra-224- und Cf-252-Quellen durch Bildung yon Alkylverbindungen*

P. Hoffmann, K. B/~chmann, It . Klenk, W. Trautmann und K. H. Lieser

Fachbereich anorg. Chemie und Kernchemie der Teehn. Hochschule, Darmstadt

Eingegangen am 9. April 1973

Separation o/the Recoil Products o/Ra-224 and C]-252 Sources by Formation o/Alkyl Compounds. A new method for the separation of recoil atoms produced by the decay of Ra-224 was developed applying alkyl radicals. Argon was used as carrier gas and the transported alkyl compounds thermally decomposed in front of a GeLi- detector. Under the experimental conditions Pb-212 and Bi-212 could be transported with high yields whereas t ransport of T1-208 could not be proved. Their was no interference of the measurements by Rn-220.

Using Cf-252 as a source for fission products the recoil atoms were stopped in argon (about 4 arm). The thermalized recoil products were mixed with alkyl radicals and the possibly formed alkyl compounds thermally decomposed in front of a detector. In the experiments with pure argon as inert gas high yields of iodine were found.

ZusammenJassung. Ein neues Verfahren zur Trennung der Rfickstogprodukte yon Ra-224 mit Hilfe yon Alkyl- radikalen wurde entwickelt. Dabei wurde Argon als Tr/~gergas eingesetzt und die gebitdeten Alkylverbindungen thermisch vor einem GeLi-Detektor zersetzt. Unter diesen Versuchsbedingungen konnten Pb-212 und Bi-212 mit hoher Ausbeute transportiert werden, w/~hrend ein Transport yon T1-208 nicht nachgewiesen wcrden konnte. Die Messungen wurden nicht durch das ebenfalls transportierte Rn-220 gestSrt.

Bei der Verwendung yon Cf-252 als Spaltproduktquelle wurden die RiickstoBteilchen in Argon bei 3 atii gebremst, dann mit Alkylradikalen umgesetzt und die Alkylverbindungen vor einem Detektor thermisch zersetzt. In Experimenten mit reinem Argon als Inertgas konnte god mit hoher Ausbeute transportiert werden.

Trenn. der RiickstoBprodukte von Radium-224, Californium-252; Bfldg. yon Alkylverbindungen.

In frfiheren Arbeiten ist gezeigt worden, dal3 es mSglich ist, durch radioaktiven Zerfall gebildete Nuklide yon der Quelle zu einer MeBstelle zu

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

transportieren, indem man durch Umsetzung mit Alkylradikalen flfiehtige Verbindungen herstellt [3--5]. Speziell wurde die Abtrennung yon Pb-212, Bi-212 und T1-208 yon einer Ra-224-Quelle mit Itilfe yon Methyl- und ~thylradikelen durchgefiihrt.