Funktionsnachweis und erste Anwendung eines neuartigen Deuteron-Deuteron (D-D) Fusions-Neutronengenerators für die Bestrahlung von 40Ar/39Ar Proben

• Antragsteller: Dr. Daniel Rutte
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Paläontologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287320649

Die 40Ar/39Ar Datierungsmethode ist eine sehr breit verwendete Methode zur Bestimmung des Alters von irdischem und planetarem Material. Sie setzt die Neutronenaktivierung von 39K zu 39Ar voraus, die konventionell in einem Kernreaktor durchgeführt wird. Nach der Bestrahlung wird in einem Edelgasmassenspektrometer das aus dem natürlichen Zerfall von 40K entstandene 40Ar und das bei der Bestrahlung aktivierte 39Ar - als Proxy für den K-Gehalt - bestimmt. Aus dem Verhältnis von 40Ar und 39Ar wird anschließend das Alter des Materials berechnet. Der spektrale Charakter der Neutronenenergien in einem spaltungsbasierten Kernreaktor hat dabei zwei schwerwiegende Nachteile: Erstens erhöht die Aktivierung von Ca, Cl und K zu interferierenden Ar-Isotopen, über die notwendigen Korrekturen, die Unsicherheit des bestimmten Alters. Zum zweiten werden die 39Ar Atome bei ihrer Entstehung im Reaktor durch den Eintrag von kinetischer Energie durch die Neutronen im Kristallgitter versetzt (Rückstoß Effekte), wodurch oberflächennahe Atome verloren gehen. Dies limitiert die verlässlich datierbare Korngröße auf mehrere Zehner Mikrometer. Am Berkeley Geochronology Center wurde ein neuartiger, leistungsfähiger Deuteron-Deuteron Fusions-Neutronengenerator gebaut, der eine quasi-monoenergetische (2,45 MeV) Neutronenbestrahlung von geologischen Proben bei Flüssen von 1011 n s-1 cm-² erlaubt. Ziel meines Projektes ist es, den Funktionsnachweis des neuartigen Gerätes zu erbringen, seine Möglichkeiten zu quantifizieren, sowie erste Anwendungen/Datierungen durchzuführen. Nach ersten Testläufen mit metallischen Fluenzmonitoren werde ich synthetische Ca-, Cl- und K-haltige Phasen bestrahlen und die aktivierten Ar-Isotope edelgasmassenspektrometrisch analysieren. Dadurch lässt sich die antizipierte Reduzierung von Ar aus Interferenzreaktionen, um ein bis zwei Größenordnungen, testen und quantifizieren. Desweiteren werde ich geometrisch definierte Biotit- und Plagioklaskristalle bestrahlen und die korngrößenabhängigen Verluste von 39Ar quantifizieren und darüber die Rückstoßweiten bestimmen. Numerische Modellierungen deuten auf eine Reduzierung um fast eine Größenordnung hin, sodass Material von einigen Mikrometern (~7 mikrom) Korngröße verlässlich datiert werden kann. Wenn erfolgreich, wird die neue Bestrahlungsmethode die verlässliche Datierung bedeutsamen Materials erlauben. Zum Beispiel könnte die Datierung von Glassplittern aus schwer datierbaren Tuffen von Hominidenfundstellen unser Verständnis der Chronologie der menschlichen Evolution verbessern und die präzise Datierung feinkörniger Calcium-Aluminium-reicher Einschlüsse in Meteoriten könnte unser Verständnis des frühen solaren Systems verbessern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Paul R. Renne