Ca41-detectie

Zoals beloofd een topic over het experiment waar ik voor mijn korte stage een poosje aan meewerk. Het is experimentele fysica, en qua hoeveelheid formules stelt het weinig voor, dus het zou vrij makkelijk te begrijpen moeten zijn. Daarnaast heeft het onderzoek een aantal vrij directe toepassingen, wat het in mijn ogen des te interessanter maakt.

Wat ik wil met dit topic? Het is even afwachten of mensen hierin geinteresseerd zijn, maar het idee was voornamelijk dat ik een beeld probeer te geven van wat een natuurkundestudent zoal uitvreet. Sommige, zoals Haus, zijn bezig met theoretische modellen, en anderen, zoals ik, zijn meer experimenteel bezig. Gaandeweg mijn stage zal ik proberen af en toe wat nieuwe dingen te posten, en ik sta open voor vragen met betrekking tot de theorie en het experiment.

Het experiment waar ik aan meewerk wordt uitgevoerd door de vakgroep Atoomfysica van het Kernfysisch Versneller Instituut te Groningen en gaat door het leven onder de naam Al⁴¹Catraz.
Voor kekke plaatjes en resultaten wordt naar de laatstgenoemde website verwezen.

Doel
Het uiteindelijke doel van het project is het kunnen meten van de concentratie van het isotoop ⁴¹Ca in een natuurlijk calciumsample. Als je een klomp calcium zou pakken, bestaat dat namelijk niet voor 100% uit ⁴⁰Ca, zoals je op het eerste gezicht misschien zou verwachten. In plaats daarvan bevat het in mindere mate ook andere isotopen. ⁴¹Ca komt in de natuur voor met een zgn. relatieve abundantie van 10^-14, in tegenstelling tot ⁴⁰Ca met 0.9694.

Waarom ⁴¹Ca?
Deze lage abundantie maakt ⁴¹Ca erg aantrekkelijk om te gebruiken als tracer in biomedisch onderzoek. Het kan bijvoorbeeld gebruikt worden om de stofwisseling in een organisme zichtbaar te maken. Een voorbeeld is het onderzoek naar osteoporose (botontkalking). Hierbij wordt er bij een patient aan het calcium in het bot ⁴¹Ca toegevoegd (zgn. 'labelen'). Dan wordt een poosje gewacht, zodat alle ⁴¹Ca dat niet wordt opgenomen door het bot uit het lichaam is verdwenen, en daarna is alle ⁴¹Ca die in de urine van de persoon aangetroffen wordt, afkomstig uit het bot. Zo kan gemonitord worden hoe snel de botten van die persoon ontkalken.
Een tweede mooie eigenschap van dit isotoop is zijn instabiliteit: het heeft een halfwaardetijd (Engels: half life) van pakweg 100000 jaar. Dit maakt ⁴¹Ca geschikt voor dateringen, op vergelijkbare wijze als met de bekendere ¹⁴C-methode.

Opstelling
Ok, hoe wordt dat isotoop nou daadwerkelijk aangetoond?

Oven
Daartoe wordt eerst een natuurlijk calciumsample verhit in een oven. Deze produceert een bundel calciumatomen. De bundel gaat vervolgens een zgn. Zeemanslower in.

Zeemanslower
Deze zorgt ervoor dat de snelheden van alle atomen zo rond de 50 m/s komen te liggen. Dit gebeurt door middel van een laserstraal die precies tegen de bewegingsrichting van de atomen in beweegt. De frequentie van de laser is zo afgesteld dat de fotonen kunnen worden opgenomen door de calciumatomen. Dit gebeurt dan ook regelmatig, maar na een tijdje worden de fotonen ook weer uitgezonden. De grap is echter het volgende: de atomen worden altijd vanaf de zelfde kant geraakt door het foton, terwijl ze het foton daarna in een random richting weer uitzenden. Het opnemen van een elektron die precies tegen het atoom in beweegt zorgt ervoor dat de impuls van het atoom kleiner wordt. Het uitzenden van een elektron in een bepaalde richting zorgt voor een impulsverandering in de tegengestelde richting, maar aangezien deze richtingen random zijn zal over een aanzienlijke tijd gemiddeld dit effect 'uitmiddelen'. Wat overblijft is de impulsvermindering door het opnemen van de elektronen.
Zo worden de atomen aanzienlijk afgeremd, slechts door er met licht op te schijnen!

(Edit: dat laatste is eigenlijk iets te simpel gesteld. Zie deze post).

Isotoop-selectieve afbuiging
Als de afgeremde atoombundel uit de slower komt, word er een enkel isotoop uit de bundel afgebogen. Dit gebeurt door middel van een laser die zijn frequentie heel precies afgesteld zodat alleen een bepaald istoop de fotonen kan absorberen. Verder werkt die deflectie op dezelfde manier als in de vorige paragraaf beschreven.

Magneto-Optical Trap
De bundel met slechts één isotoop erin komt tenslotte terecht in een zgn. Magneto-Optical Trap, kortweg MOT. Deze bestaat simpelgezegd uit drie laserstralen, die ook nog eens weerkaatst worden, zodat je effectief zes bundels hebt: 2 voor elke dimensie (heen en terug). Deze laserbundels houden, wederom door middel van het boven beschreven proces, de atomen op hun plaats. Vervolgens wordt met een CCD-camera de intensiteit van het wolkje atomen gemeten, die een maat is voor de hoeveelheid atomen die er in zitten.

Conclusietje
Met de hierboven beschreven methode kan het istoop ⁴¹Ca worden gemeten, al is het experiment nog in volle gang. Als gevolg van zijn zeer lage abundantie was het tot nu toe niet mogelijk om dit calciumisotoop te gebruiken voor zaken als datering en trace analyse, maar daar komt nu wellicht verandering in!

[ Bericht 0% gewijzigd door Maethor op 03-05-2005 20:14:03 ]

Release & Recapture
Het specifieke onderdeel waar ik momenteel mee bezig ben, is het toepassen van de Release & Recapture techniek op het experiment. Dit is een methode om de temperatuur te bepalen van het wolkje atomen dat in de val vastzit.
Om de temperatuur te bepalen, zetten we de lasers die de atomen op hun plaats houden, voor een bepaalde tijd uit. Nu zal het wolkje gaan expanderen als gevolg van de snelheid van de atomen. Na een tijdje worden de lasers weer aangezet, en de atomen die zich op dat moment nog in het oorspronkelijke volume van de val bevinden, worden weer gevangen. Een deel echter zal verloren gaan.
Door middel van een CCD-camera wordt vervolgens de intensiteit van het wolkje gemeten, wat een maat is voor de hoeveelheid atomen die zich nog in de val bevinden. Deze fracties worden als functie van de tijd dat de laser heeft uitgestaan, uitgezet in een grafiekje.
Via de Boltzmanndistributie voor een ideaal gas, die de fractie atomen met snelheid v relateert aan (o.a.) de temperatuur van de atomen, kan een functie worden verkregen die de fractie atomen die aanwezig zijn in de val relateert aan hun temperatuur. Deze functie wordt aan de experimentele data gefit, en zo kan een temperatuur worden verkregen voor de atomen in de val.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 18:09 schreef Maverick_tfd het volgende:
ik snap alleen de link niet tussen het bepalen van de concentratie Ca en het bepalen van de temperatuur ervan.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 18:10 schreef Alicey het volgende:
Waarom wil je de temperatuur bepalen?

Dit is inderdaad iets waar ik in bovenstaande vehaaltjes een beetje omheen gepraat heb. De reden is even simpel als ietwat stom: ik weet het niet. Het is nl. zo dat mijn stagebegeleider momenteel in het buitenland zit, en ik vlak voor ie wegging deze opdracht heb gekregen. Pas later vroeg ik me ineens af wat precies het nut is van de temperatuur van het MOT-wolkje te weten.

Ik heb voor deze opdracht een publicatie van iemand van een ander experiment gebruikt, waarin dezelfde techniek gebruikt wordt. Daarin wordt de gemeten temperatuur van het wolkje vergeleken met de 'Doppler limiet', die uit ervaring de minimumtemperatuur is voor het koelen van atomen dmv laser licht. Dus wellicht wordt de temperatuur bepaald om te kijken hoe veel deze boven het minimaal haalbare zit en kan op basis daarvan dan bekeken worden of er misschien aanpassingen aan de experimentele setup moeten worden gemaakt. Immers, hoe warmer de atomen, hoe makkelijker ze uit de MOT losbreken (als gevolg van botsingen met de luchtmoleculen).

Maar het fijne weet ik er dus ook (nog) niet van. Zo gauw ik het weet, weten jullie het.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 18:21 schreef Yosomite het volgende:
Je telt de ⁴¹Ca atomen in feite?
Want het zijn er zo weinig.

Het zijn er inderdaad erg weinig. Het kan zelfs zijn dat de gemiddelde populatie van de MOT lager wordt dan 1 atoom. In dat geval moet er een manier zijn om een enkel atoom te kunnen detecteren. Dit kan niet meer door middel van het meten van de intensiteit van de fluorescentie, zoals boven beschreven. In plaats daarvan wordt gekeken naar de korte 'lichtflitsen' die ontstaan als een atoom gevangen wordt, bestaande uit door het atoom verstrooide laserfotonen.

quote:

En waarom een temp als je een snelheid hebt (50 m/s) of daalt de snelheid nog meer?

Deze vraag begrijp ik niet helemaal. Die 50 m/s is de snelheid van de atomen als ze uit de Zeemanslower komen. Deze snelheid is nodig om ze te kunnen vangen met de MOT. Gingen ze sneller, dan vlogen ze dwars door de MOT heen. Eenmaal in de MOT is de snelheid van de atomen lager (geloof ik).

quote:

Je moet wel wát atomen hebben anders is Boltzmann niet meer van toepassing, dan heb je geen verdeling meer, maar in feite alleen maar een bundel van deeltjes met dezelfde energie.

Die temperatuurmeting zal inderdaad ook alleen mogelijk zijn als er zich echt een 'wolkje' atomen in de MOT bevindt.

Ik zal me ondertussen nog wat verder inlezen, want ik merk dat ik zelf ook nog lang niet alles begrijp. Maar goed, ik ben nog maar net begonnen. Zo gauw mijn begeleider er weer is (hij is al een hele poos aan het experiment verbonden) zal ik hem nog wat dingen vragen.

Zeemanslower Revisited
De Zeemanslower behelst meer dan alleen de laserbundel die tegen de richting van de atoombundel in is gericht. Dit moet ook wel, want met alleen deze laserbundel treedt het volgende probleem op:
Als je een laserbundel hebt met een vaste frequentie, kunnen er slechts atomen afgeremd worden binnen een erg nauwe snelheidsbereik. Dit komt doordat de atomen door de laserbundel direct aanzienlijk worden afgeremd, waardoor ze niet meer resonant zijn met de laserfrequentie als gevolg van het Dopplereffect. Met alleen de laser zou het snelheidsbereik waarover atomen kunnen worden afgeremd slechts ongeveer 15 m/s zijn.

De oplossingen hiervoor is dus de Zeemanslower. Naast de genoemde laserbundel bestaat deze uit een magneetveld. Dit magneetveld is zodanig ingesteld dat het compenseert voor de Dopplerverschuiving door een zogenaamde Zeemanverschuiving te veroorzaken (vandaar dus de naam van het apparaat). Misschien gaat het wat te ver om hier op deze laatste verschuiving in te gaan, maar deze houdt kort gezegd in dat de energieniveaus van de atomen lichtelijk verschuiven, en daarmee de resonantiecondities.

Door dit magneetveld toe te passen wordt dus gecompenseerd voor de Dopplerverschuiving, en zo kunnen veel meer atomen worden afgeremd.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 21:52 schreef Bensel het volgende:
hee, meathor, ff als physics leek: kun je die Ca⁴¹ niet onderscheiden op gewicht, aangezien de Ca⁴¹ 1u (sorry, kan beetje moeilijk mu teken maken) zwaarder is dan de rest van de atomen.. (1 neutron extra toch?). Misschien kunnen chemische analysten je daarbij helpen?

Dan kom je op massaspectrometrie terecht (zie Wikipedia). Een speciale vorm hiervan kan op zich goede resultaten halen bij het meten van Ca-41, maar dat is vrij uitzonderlijk. Veel massaspectrometrie opstellingen halen de gewenste gevoeligheid niet. Daarnaast zijn de benodigde opstellingen nogal groot en complex. Ook kun je bij deze techniek geen losse atomen gebruiken, maar is het nodig om moleculaire ionen te gebruiken. Dit vergt weer speciale chemische behandelingen en voorzorgsmaatregelen.

Een groot voordeel van de zogeheten Atom Trap Trace Analysis methode (dat is de door ons gebruikte techniek) vergeleken met massaspectrometrie is dus dat de chemische voorbereidingen veel simpeler zijn (je stopt gewoon een klompje calcium in je oven). Ook de kleinere en simpele opstelling zijn een voordeel, want zo is het ook mogelijk (of althans: aantrekkelijker) een soortgelijk experiment (bijv. voor het produceren van zo'n Ca-41 tracer) in een ziekenhuis uit te voeren.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 22:03 schreef Alicey het volgende:

[..]

Het verschil in massa is volgens mij niet dusdanig dat je echt heel erg ver komt met technieken als centrifuge..

Volgens mijn bronnen kun je met massaspectrometrie wel degelijk een resolutie halen van ongeveer 1 atomic mass unit. Maar daar heb ik verder geen ervaring mee.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 22:14 schreef Bensel het volgende:
lijkt me ook dat de methodes die chemische analysten gebruiken, om lage concentraies atomen te detecteren, van pas kunnen komen bij dit experiment..

Kunnen die, gegeven een natuurlijk sample van een bepaalde stof, één isotoop daaruit met een abundantie van 10^-14 detecteren? Bovendien gaat het hier niet om bijv. een oplossing van stof 1 in stof 2. Zo op het eerste gezicht lijkt het een pure stof.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 22:33 schreef Bensel het volgende:

[..]

massaspectrometrie (kon niet op de naam komen) groot en complex? voor mijn gevoel zou zo'n Atom Trap Trace machine toch wel vrij groot zijn.. en ook behoorlijk complex.

Nou... de Atom Trap Trace Analysis opstelling aanschouw ik de laatste tijd dagelijks met eigen ogen... en die past op een tafel van pakweg 1.5 bij 2.5 meter. Zie voor een foto de eerste foto op deze pagina.
En de massaspectrometrieopstelling (en dan die ene die wel een hoog genoege gevoeligheid kon bereiken, itt vele andere) is volgens mijn bron 60 m lang en veel complexer qua opbouw en aantal onderdelen enzo.

Ten eerste, persoonlijk ga ik liever af op informatie die ik uit het proefschrift haal van de persoon die op het door mij beschreven project is gepromoveerd. Maar goed, Wikipedia is een site waar ik ook vaak naar verwijs, dus laat ik het niet meteen de grond inboren.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 22:40 schreef Bensel het volgende:
het is dus wel mogelijk om er dat verschil in massa te meten

Ja, dat klopt, zie mijn antwoord op Alicey. Een resolutie van 1 u is haalbaar.

quote:

'In de massaspectrometrie is het verschil tussen isotopen echter eenvoudig te zien: de massa van verschillende isotopen verschilt ongeveer een geheel aantal massa-eenheden. Verder is het zo dat men bij veel eigenschappen die voor de isotopen een klein verschil vertonen een gemiddelde meet wanneer meerdere isotopen voorkomen. Bij massaspectrometrie kijkt men naar elk molecuul individueel, en kan daardoor de individuele isotoopsamenstelling in elk molecuul zien.'

Mja, klinkt op zich logisch. Maar er zijn dus de nadelen die ik eerder noemde.

Hier moet wel even opgemerkt worden dat dit experiment niet de enige mogelijkheid claimt te zijn om Ca-41 te detecteren. Andere methoden werken op zich ook wel, alleen tot nu toe ging het nooit heel goed, er was bijv. altijd veel achtergrondruis van het overheersende Ca-40. Het is nooit verkeerd onderzoek te doen naar andere detectiemethoden, omdat die soms op bepaalde gebieden ineens grote voordelen blijken te hebben.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 22:44 schreef Bensel het volgende:
Kijk ook eens hier http://nl.wikipedia.org/wiki/Massaspectrometrie#Massascheiding, voor de verschillende methoden.. ik neem aan dat je die eerste opstelling bedoelde. (door middel van afgelegde weg onderscheiden). Ik weet niet hoe precies de rest van de opstellingen zijn

Nee, die opstelling bedoel ik niet. Als het je interesseert, het gaat om Accelerator Mass Spectrometry. Dit is volgens mijn bron (die dateert uit 2005) tot op heden de meest gevoelige massaspectrometriemethode. Onder andere in München en in de VS zijn opstellingen hiervan.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 23:01 schreef Bensel het volgende:
Ow, ik wil ook niet zeggen dat jouw experiment niet goed is ofzo (ik zou niet durven ) ik vond het alleen nogal omslachtig..

Nee, kritiek is altijd welkom. Maar voordat zo'n experiment überhaupt opgezet wordt, wordt heel goed nagedacht of het zin heeft om er aan te beginnen (zorgt het voor nieuwe mogelijkheden, betere resultaten etc, en heel belangrijk: is het commercieel aantrekkelijk ivm sponsors). Dus aangezien men inmiddels al aardig wat geld en tijd hierin gestoken heeft, zal het wel ergens goed voor zijn.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 23:02 schreef Yosomite het volgende:
De verhouding in concentratie is erg groot. Heeft dat er mee te maken?
Want je zoekt relatieve concentraties denk ik, geen absolute.
Daarom denk ik dat massa spectrometer afvalt.
De ⁴⁰Ca overschaduwt de ⁴¹Ca vokomen. Dus je moet de ⁴⁰Ca er helemaal uitgooien.
Maar je moet wel weten hoeveel je weggegooid hebt.
Of denk ik hier de verkeerde kant op?

Inderdaad zoek je relatieve abundanties (isotoop / alle aanwezige isotopen). Maar die AMS opstelling in München schijnt een Ca-41/Ca ratio gemeten te hebben van (1.9 +/- 0.5)*10^-15, dus dat zou blijkbaar geen probleem moeten zijn. Maar dit schijnt nogal een uitzonderlijk resultaat te zijn, behaald door een erg groot en complex apparaat. Alleen al doordat het met de ATTA methode met een veel kleinere opstelling kan, is al mooi. Daarnaast hoeven zoals gezegd geen speciale moleculen gemaakt te worden.

quote:

Op dinsdag 3 mei 2005 18:10 schreef Alicey het volgende:
Waarom wil je de temperatuur bepalen?

Om hier nog even op terug te komen:

Het had inderdaad te maken met wat ik hierboven al ergens aanstipte. Voor atomen in een magnetisch-optische val is een theoretische minimum temperatuur (de zgn. Dopplerlimiet) die afhankelijk is van het soort atomen dat er in zit. Nou blijkt dat voor experimenten waarin maar een deel van de oorspronkelijke deeltjesbundel in de val terechtkomt, zoals het onze ¹, de temperatuur in die val hoger ligt dan die limiet. Waarom dit zo is is nog niet echt duidelijk.

En nu is het een betrekkelijk kleine moeite om bij ons experiment even die temperatuur te meten, en als dat bij alle experimenten met zo'n val gebeurt, kan men misschien een oorzaak vinden. Maar het is dus niet een meting die cruciaal is voor het uiteindelijke doel van het experiment, of waar ik een apart artikel aan zou kunnen wijden. _helaas

__________
¹) Er zijn als ik het goed heb ook experimenten waar de deeltjesbundel min of meer regelrecht de magn. optische val in wordt geschoten, en waarbij dus alleen de deeltjes met een bepaalde snelheid worden ingevangen. In ons experiment wordt door middel van de Zeemanslower en andere technieken vooraf al meer geselecteerd en komt er dus maar een deel van de oorspronkelijke bundel in de val terecht.

_{Ik bedenk me ineens dat dit topic nog open is...}

Al in juli heb ik mijn Bacheloronderzoek afgesloten. Als gevolg van tegenslagen bij het oorspronkelijke calciumexperiment ben ik een vergelijkbare meting gaan doen aan een opstelling die met natriumatomen werkt. Binnenkort zal ik een aantal resultaten en conclusies posten.

quote:

Op maandag 12 september 2005 13:00 schreef Alicey het volgende:
Die opstelling voor natrium werkt hetzelfde als die voor calcium, of zijn er verschillen tussen?

Het doel van het experiment is verschillend. Cruciaal voor mijn onderzoekje is echter dat beide opstellingen gebruik maken van zo'n magneto-optische val om atomen te vangen. Het was mijn taak de temperatuur van die atomen te meten, en daarbij was het niet relevant om wat voor soort atomen het ging (heeft wel invloed op de resultaten maar het principe blijft gelijk) en van wat voor soort opstelling de val deel uit maakte.

quote:

Op maandag 12 september 2005 13:13 schreef Alicey het volgende:
Ik raak je nu geloof ik een beetje kwijt.

Temperatuur is toch de mate van trilling tussen moleculen? Hoe kan een atoom dan een eigenschap als temperatuur hebben?

Dat is niet helemaal waar. Voor een stof die louter uit atomen bestaat (of éénatomige moleculen, zo je wilt) zoals ijzer, kan ook wel degelijk een temperatuur gedefinieerd worden.

Natuurlijk is het wel een beetje vreemd om in het geval van 'enkele' atomen (het gaat om iets van een miljoen atomen, vergelijk dit met de ~10^23 moleculen in een kopje koffie) over een temperatuur te spreken. Eigenlijk mat ik de gemiddelde snelheid van de atomen, en vertaalde dat via kinetische energie naar een temperatuur.

quote:

Op maandag 12 september 2005 13:31 schreef Alicey het volgende:

[..]

Ah, op zo'm fiets. Zeg maar de temperatuur die er zou zijn, als het atoom een boel broertjes en zusjes had gehad naast zich?

Juist. Overigens praat iedereen gewoon over temperatuur, maar je moet goed in je achterhoofd houden hoe je het definieert. Als je dat doet is er niks aan de hand. Maar je moet bijv. niet verwachten dat als je een thermometer in het wolkje atomen steekt, je precies die temperatuur meet. Denk ik.

quote:

Op dinsdag 13 september 2005 11:43 schreef Yosomite het volgende:

[..]

Jammer dat het misliep.
Is het met natrium makkelijker?

Ja, dat ging perfect. Overigens was het buiten mij om dat het calciumexperiment niet werkte. Die opstelling was nog niet helemaal klaar, en door slecht functionerende onderdelen zou het geheel pas werken als ik daar al weer vertrokken was.