KC-Modul-, Bachelor- und Masterarbeiten für Chemiker im AK Düllmann


Allgemeine Hinweise

Es wird sowohl mit inaktiven, als auch mit radioaktiven Nukliden gearbeitet werden, daher wird das erfolgreich abgeschlossene kernchemische Grundpraktikum (KC1) vorausgesetzt.  

Bei Interesse oder Fragen zu diesen Themen schreiben Sie bitte
Prof. Christoph Düllmann (duellmann@uni-mainz.de) oder
Dr. Dennis Renisch (renisch@uni-mainz.de) an.  


1) Arbeitsort: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
Thema 1: Aufbau eines Detektionssystems für die Zerfallspektroskopie der schwersten Elemente

Zur Untersuchung der Kernstruktur superschwerer Elemente wird deren radioaktiver Zerfall gemessen. Im AK Düllmann wird an der GSI aktuell ein neues Kernspektroskopiesystem „ALBEGA“ (ALpha-BEta-GAmma-Detektorsystem) das sämtliche relevanten Strahlungsarten von Alphazerfällen und Spontanspaltungen in der Koinzidenz mit emittierten Photonen und Elektronen effizient nachweisen kann, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dank Ankopplung an den gasgefüllten Separator TASCA und den Transport von TASCA zu ALBEGA als flüchtige chemische Spezies, können die der Zerfallseigenschaften der schwersten Elemente unter fast untergrundfreien Bedingungen durchgeführt werden.
Im Rahmen einer Masterarbeit soll ALBEGA fertig aufgebaut und mit geeigneten Radionukliden, z.B. dem Alphastrahler Rn-219, dem Elektronenstrahler Ba-133 und dem Gammastrahler Eu-152 in Betrieb genommen werden. Die Arbeit erfordert gute Elektronik- und Programmierung-Kenntnisse.
Im Rahmen einer Bachelorarbeit kann am TRIGA-Reaktor in Mainz ein online Experiment mit flüchtigen Verbindungen von Spaltprodukten durchgeführt werden.

Thema 2: Aufbau einer Puffergaszelle für Physik- und Chemieexperimente mit kurzlebigen superschweren Elementen

Die Verwendung von Puffergaszellen für die Konversion der in Kernfusionsreaktionen gebildeten schnellen Kerne der schwersten Elementen in einen niederenergetischen Ionenstrahl ist in vielen Gebieten der Kernphysik etabliert, z.B. für präzise Massenmessungen. Die Abbremsung der separierten Produkte erfolgt in ultrareinem Gas (Helium oder Argon); für eine schnelle Extraktion der Ionen werden elektrische und RF Felder verwendet. Eine neue Puffergaszelle für die Ankopplung verschiedenster Detektionssysteme an den Rückstossseparator TASCA wird die chemische Untersuchung der schwersten Elemente mit der Ordnungszahl Z < 114 ermöglichen.
Im Rahmen einer Diplom-/Masterarbeit soll eine optimierte Puffergaszelle für effiziente (<90%) und schnelle (>10 ms) Extraktion von Ionen der schwersten Elemente aufgebaut werden. Damit wird künftig die Untersuchung der chemischen Eigenschaften der kurzlebigen und nicht-flüchtigen superschweren Elemente zugänglich. Die Arbeit erfordert gute technische und Physik-Kenntnisse.


2) Arbeitsort: Institut für Kernchemie und Helmholtz-Institut, Uni. Mainz
Thema 1: Druckvolumenbestimmung eines „Drop on Demand“-Druckers für Actinidentargets

Ein Hauptarbeitsgebiet im AK Düllmann umfasst die Herstellung verschiedenster Proben von Actinidenisotopen für Anwendungen in der chemisch-physikalischen Grundlagenforschung, wie der Produktion und Untersuchung der superschweren Elemente, oder der Entwicklung einer Th-229m-basierten Kernuhr.
Zur Herstellung solcher Targets wurde jüngst ein Drop-on-Demand-Druckersystem entwickelt (R. Haas et al., NIM A 874 (2017) 43), mit dem eine beliebige Anzahl winziger Tropfen (5 - 60 nL) der gewünschten Lösung auf jegliche feste Substrate (z.B. Metall-, Kunststoff- oder Graphenfolien) getropft werden kann.
Durch die Minimierung des Tropfenvolumens werden unerwünschte Effekte, die bei größeren Volumina z.B. zur Ausbildung von ringförmigen Abscheidungen führen, vermieden und es können homogenere Abscheidungen des Targetmaterials erzielt werden.

Im Rahmen eines KC-Moduls oder einer Bachelor-/Masterarbeit soll die Reproduzierbarkeit dieser neuen Methode untersucht und statistisch belegt werden.
Mögliche Fragestellungen sind: wie reproduzierbar ist das gedruckte Gesamtvolumen in Abhängigkeit von Tropfenanzahl und -volumen?
Gibt es Einflüsse durch pH-Wert, Konzentration der Lösung, etc.?
Wie groß ist der Fehler der abgeschiedenen Gesamtmenge im Vergleich mit einem pipettierten Standard?
Welchen Einfluss haben die verschiedenen Kalibrierparameter und Druckerdüsen?

Die Steuerung des DoD-Systems wurde mit LabView selbst entworfen und wird ebenfalls kontinuierlich weiterentwickelt. Erfahrung mit LabView ist daher wünschenswert, aber keine Voraussetzung.

Neben den präparativen Arbeiten mit dem DoD-System werden auch verschiedene Methoden zur Charakterisierung der hergestellten Targets herangezogen (Neutronenaktivierungsanalyse, α-/γ-Spektroskopie, REM, Autoradiographie, …).


Thema 2: Produktion von Lanthaniden- und Actinidenproben exakt definierter Schichtdicke

Die Dicke von Schichten, welche mit dem Drop-on-demand-Druckersystem hergestellt werden (siehe Thema 1), kann durch Veränderung von Flüssigkeitsparametern (pH-Wert), Variation der Trocknungszeit/-intensität und Variation der Oberflächenbeschaffenheit des Substrats (hydrophob/hydrophil) gezielt beeinflusst werden.
Durch Untersuchungen des Einflusses dieser Parameter soll die Grundlage für die Herstellung von Schichten gewünschter Dicke gelegt werden.
Dazu wird die erzielte Schichtdicke mittels verschiedener Methoden inkl. AFM und Lumineszenzanregung untersucht werden.
Für die Lumineszenzuntersuchung soll ein bestehender Imager für Autoradiographien mit einem Diodenlaser im UV-Bereich erweitert werden, um Lumineszenz in der Targetschicht anzuregen (z.B. bei Verwendung verschiedener Lanthanide als Targetmaterial).
Im Idealfall kann mittels der Lumineszenzintensität die Schichtdicke bestimmt und durch geeignete Messreihen das Schichtwachstum verfolgt werden.

Zusätzlich sind Untersuchungen zur mechanischen Stabilität der erzielten Schichten (z.B. Fallrohrversuche mit Rohrpostsystem oder mehrmaliges evakuieren der Probe) denkbar.


Thema 3: Untersuchung der Auflösungsgrenze des RI Systems für hohe Zerfallsenergien (alpha-Zerfall)

Das Auflösungsvermögen eines Autoradiographiesystems wurde in R. Haas et al., NIM A 874 (2017) 43 mittels verschiedenen β-Strahlern bestimmt.
Weiterführend sollen Untersuchungen mit α-Strahlern verschiedener Energien durchgeführt werden, um das System möglichst vollständig zu beschreiben.
Ziel ist eine möglichst genaue Bestimmung des Auflösungsvermögens über einen weiten Energiebereich hinweg.

Diese Arbeit könnte voraussichtlich in 4-8 Wochen abgehandelt werden und bietet sich somit besonders als Thema eines KC-Moduls oder einer Bachelorarbeit an.