A practical approach of measuring $^{238}$U and $^{232}$Th in liquid scintillator to sub-ppq level using ICP-MS

Dit artikel beschrijft een methode met ICP-MS en zure extractie om $^{238}$U en $^{232}$Th in vloeibare scintillator tot op het sub-ppq-niveau te meten met een hoge herstel-efficiëntie en een detectielimiet van ongeveer 0,2-0,3 ppq.

De kern

Stel je voor dat je op zoek bent naar een enkele zandkorrel in een enorme berg zand, maar die zandkorrel is zo klein dat je hem niet eens met het blote oog kunt zien. Dat is precies wat wetenschappers proberen te doen met vloeibare scintillator, een speciaal soort vloeistof die wordt gebruikt in gigantische ondergrondse detectoren om zeldzame deeltjes uit het heelal te vangen.

Het probleem? Deze vloeistof moet extreem schoon zijn. Als er zelfs maar een klein beetje uranium of thorium (radioactieve stoffen) in zit, verstoort dat het signaal. Ze zoeken naar verontreinigingen op het niveau van sub-ppq. Dat klinkt als een onbegrijpelijke code, maar het betekent eigenlijk: minder dan één deel per biljoen. Om het in perspectief te plaatsen: dat is alsof je één druppel verf probeert te vinden in een zwembad dat groot is als de Drie Gorge-dam.

Deze paper beschrijft hoe een team van het Instituut voor Hoge Energie Fysica in China een slimme manier heeft bedacht om die onzichtbare druppels toch te vinden.

De Uitdaging: Een naald in een hooiberg

Normaal gesproken is het heel moeilijk om zo weinig uranium en thorium te meten in een vloeistof. De vloeistof is olieachtig en kan niet direct in het meetapparaat (een ICP-MS, een soort superkrachtige chemische weegschaal) worden gedaan. Het apparaat haat olie.

De Oplossing: De "Spons" en de "Kleefband"

De wetenschappers hebben een proces ontwikkeld dat je kunt vergelijken met het gebruik van een magneet of een kleefband om stof uit een kamer te halen.

1. Het Uittrekken (Acid Extraction):
   Ze nemen ongeveer 2 kilo van die dure vloeibare scintillator en doen er een speciaal zuur bij (salpeterzuur). Stel je voor dat je een vieze, olieachtige doek (de vloeistof) in een emmer met zeepwater (het zuur) doet. Het zuur trekt de "vuile" deeltjes (het uranium en thorium) eruit en laat ze in het water achter, terwijl de olie erbovenop blijft drijven.

   • De slimme truc: Ze hebben uitgezocht hoeveel zuur ze nodig hebben, hoe heet ze het moeten maken en hoe lang ze moeten roeren om zeker te weten dat ze elk deeltje uit de olie halen. Ze ontdekten dat 60 graden Celsius en twee uur roeren de perfecte "spons" is.

2. Het Verdichten (Enrichment):
   Nu hebben ze een grote emmer water met een paar druppels vuil. Dat is nog steeds te weinig om te meten. Dus laten ze het water verdampen (verhitten), totdat er maar een klein druppeltje overblijft.

   • De analogie: Het is alsof je een hele theepot water met een heel klein beetje thee laat verdampen tot er maar een theelepel sterke thee overblijft. Nu is de smaak (of in dit geval, de radioactiviteit) honderden keren sterker en makkelijk te meten.

3. De Controle (Recovery):
   Hoe weten ze dat ze niets hebben verloren tijdens dit proces? Ze doen drie verschillende "testjes":

   • De Kunstmatige Vlek: Ze voegen een bekende hoeveelheid van een stof toe die in de natuur niet voorkomt (zoals een speciaal type uranium). Als ze na het proces precies die hoeveelheid terugvinden, weten ze dat hun methode werkt.
   • De Vaste Deeltjes: Ze voegen een poeder toe (PPO) dat al een beetje vervuild is. Dit simuleert vervuiling die vastzit aan deeltjes in de vloeistof.
   • De Radioactieve Ketting: Ze gebruiken een speciale techniek met radon-gas om een andere radioactieve stof (lood-212) in de vloeistof te krijgen.
   • Het resultaat: In alle drie de gevallen vonden ze bijna 100% van de toegevoegde stof terug. Hun "net" had geen gaten!

4. De Schone Lijn (Blanks):
   Het grootste gevaar is dat ze per ongeluk zelf vervuiling toevoegen (van de flessen, het water of de lucht). Ze hebben daarom een "leeg test" gedaan: ze hebben het hele proces uitgevoerd zonder de vloeistof, alleen met de chemicaliën.

   • De uitkomst: De vervuiling die ze vonden was zo klein (ongeveer 0,3 picogram, wat een triljoenste van een gram is) dat ze zeker weten dat hun metingen betrouwbaar zijn.

Waarom is dit belangrijk?

Vroeger moesten wetenschappers wachten tot hun enorme detectoren (die soms 20.000 ton wegen) vol zaten om te testen of de vloeistof schoon genoeg was. Dat is als wachten tot je een heel zwembad vol hebt om te testen of het water schoon is.

Met deze nieuwe methode kunnen ze nu 2 kilo vloeistof in het lab testen en al zeggen: "Ja, dit is schoon genoeg voor een detector van 20.000 ton." Ze kunnen de "naald in de hooiberg" vinden met een gevoeligheid van 0,2 tot 0,3 ppq.

Samenvatting in één zin

Deze wetenschappers hebben een slimme manier bedacht om radioactieve "stofdeeltjes" uit een grote hoeveelheid olieachtige vloeistof te halen, ze te verdichten tot een druppel en ze met een superkrachtige weegschaal te meten, zodat ze zeker weten dat de vloeistof schoon genoeg is om de geheimen van het heelal te ontrafelen.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "A practical approach of measuring 238U and 232Th in liquid scintillator to sub-ppq level using ICP-MS", geschreven in het Nederlands.

Probleemstelling

Voor experimenten in de deeltjesfysica, zoals neutrino-detectie en het zoeken naar zeldzame gebeurtenissen, is het van cruciaal belang dat het vloeibare scintillator (LS) materiaal extreem stralingszuiver is. De concentraties van radioactieve isotopen $^{238}\text{U}$ en $^{232}\text{Th}$ moeten lager zijn dan sub-ppt (10$^{-15}$ g/g), vaak aangeduid als sub-ppq (parts per quadrillion).

Huidige meetmethoden zijn beperkt:

• Bestaande resultaten zijn vaak gebaseerd op metingen aan de volledige detector (tientallen tot honderden tonnen) nadat deze is gevuld.
• Er is geen gevestigde methode om deze niveaus te meten op basis van laboratoriumstalen in de orde van enkele kilogrammen.
• Bestaande technieken zoals Neutron Activering Analyse (NAA) en ICP-MS hebben een algemene gevoeligheid rond de 10$^{-13}$ g/g, wat onvoldoende is voor de strenge eisen van LS zonder voorverrijking.

Het doel van deze studie is het ontwikkelen van een praktische methode om $^{238}\text{U}$ en $^{232}\text{Th}$ in vloeibare scintillator op het sub-ppq-niveau te detecteren, gebruikmakend van een klein monster (kilogram-schaal) en ICP-MS.

Methodologie

De auteurs ontwikkelden een voorbehandelingsprocedure waarbij $^{238}\text{U}$ en $^{232}\text{Th}$ worden geconcentreerd uit het organische LS-materiaal naar een zuur fase, waarna deze worden gemeten met Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS).

1. Voorbereiding en Schoonheid:

• Alle procedures vinden plaats in een Class 100 schone kamer om externe contaminatie te minimaliseren.
• Gebruik van hoogwaardige reagentia (bijv. OPTIMA en Fisher nitrienzuur) en PFA/FEP-kunststoffen.
• Een strikt reinigingsprotocol voor alle containers, inclusief meervoudige zuren-wassen en koken in 20% salpeterzuur.

2. Extractie en Verrijking:

• Zuurextractie: Omdat LS organisch is, kunnen $^{238}\text{U}$ en $^{232}\text{Th}$ niet direct worden gemeten. Ze worden geëxtraheerd met salpeterzuur.
• Geoptimaliseerde parameters:
  • Zuurconcentratie: 10% salpeterzuur (vermijdt precipitatie van PPO, een veelgebruikt scintillatoradditief).
  • Verhouding zuur:olie: 1:5.
  • Temperatuur: 60°C tijdens roeren, gevolgd door afkoeling in een ijsbad voor fase-scheiding.
  • Tijd: 2 uur roeren, 2 uur bezinken.
• Concentratie: Na extractie en fase-scheiding wordt het zuur gedeelte verdampt en geconcentreerd tot een kleine druppel (ca. 0,3 g) en opnieuw opgelost in 5% salpeterzuur voor ICP-MS-analyse.
• Monsteromvang: De methode is getest op ongeveer 2 kg vloeibare scintillator.

3. Validatie van Herwinning (Recovery Efficiency):
Om te garanderen dat er geen verlies optreedt tijdens de extractie, werden drie verschillende standaardtoevoegingsmethoden gebruikt:

• Anorganische standaarden: Toevoeging van $^{233}\text{U}$ en $^{229}\text{Th}$ (niet-natuurlijk voorkomende isotopen) in zuurvorm.
• Organische standaarden: Toevoeging van PPO (2,5-diphenyloxazole) met bekende $^{238}\text{U}/^{232}\text{Th}$-niveaus, om te testen of gebonden verontreinigingen even goed worden geëxtraheerd als ionen.
• Radon-dochterproducten: Laden van de LS met $^{220}\text{Rn}$ om $^{212}\text{Pb}$ te genereren, wat dient als tracer voor de extractie-efficiëntie in de organische fase.

Belangrijkste Resultaten

• Herwinningsefficiëntie: Alle drie de methoden toonden een herwinning van bijna 100% (binnen een onzekerheid van ongeveer 10%).

  • $^{233}\text{U}$: 108 ± 11%
  • $^{229}\text{Th}$: 115 ± 7%
  • $^{238}\text{U}$ (via PPO): 106 ± 31%
  • $^{212}\text{Pb}$: 98,2 ± 0,3%
    Dit bevestigt dat de methode zeer effectief is voor zowel ionische als organisch gebonden verontreinigingen.

• Blanco's en Detectiegrens (MDL):

  • De totale externe contaminatie (van containers, reagentia en omgeving) voor een 2 kg monster bedroeg gemiddeld 0,41 pg voor $^{238}\text{U}$ en 0,32 pg voor $^{232}\text{Th}$.
  • De Method Detection Limit (MDL) bij een betrouwbaarheidsniveau van 99% is berekend als:
    • 0,30 ppq voor $^{238}\text{U}$
    • 0,24 ppq voor $^{232}\text{Th}$

• Schalingspotentieel:
  De auteurs tonen aan dat de blanco-contaminatie niet lineair toeneemt met de hoeveelheid monster. Door het hergebruik van het zure extractiemiddel en het verhogen van het monster naar 20 kg, wordt een detectiegrens van 0,03 ppq verwacht.

Bijdragen en Betekenis

1. Doorbraak in Sensitiviteit: Deze studie presenteert de eerste praktische methode om $^{238}\text{U}$ en $^{232}\text{Th}$ in vloeibare scintillatoren te meten op het sub-ppq-niveau (10$^{-16}$ g/g) op basis van een klein laboratoriummonster (kg-schaal), in plaats van de volledige detector.
2. Validatie van Zuiverheid: De methode biedt een betrouwbare manier om de stralingszuiverheid van LS-materiaal te screenen voordat het in grote detectoren wordt gebruikt, wat essentieel is voor toekomstige experimenten zoals JUNO.
3. Robuuste Validatie: Het gebruik van drie verschillende typen standaarden (ionen, organisch gebonden, en radon-dochters) biedt een ongeëvenaard vertrouwen in de nauwkeurigheid van de extractie, aangezien het aantoont dat zowel vrije ionen als complexere organische vormen efficiënt worden teruggevonden.
4. Toekomstperspectief: De methode is schaalbaar. Door het monster te vergroten en het zuur herhaaldelijk te gebruiken, kan de detectiegrens verder worden verlaagd, wat de weg vrijmaakt voor nog stralingszuiverere experimenten in de toekomst.

Kortom, dit werk levert een cruciaal instrument aan voor de high-energy physics gemeenschap om de kwaliteit van vloeibare scintillatoren te garanderen, wat direct bijdraagt aan de succesvolle uitvoering van gevoelige neutrino- en donkere-materie-experimenten.