Abschlussbericht des Graduiertenkollegs (pdf) - Zentrum für ...

dem Standardsonnenmodell etwa 10 8 Atome der beiden Isotope 97,98 Tc und etwa 10 11 -10 12 Atome des
Isotops 99 Tc. Daneben verbleibt ein Restgehalt an isobarem Molybdäan von mehr als 10 12 Atomen. Zur
Analyse ist deswegen eine Methode sowohl hoher Empfindlichkeit als auch hoher Selektivität erforderlich.
Eine äußerst effiziente und selektive Methode stellt die Resonanzionisationsmassenspektroskopie dar. Hierbei
werden die Atome der Probe zunächst bei einer geeigneten Temperatur verdampft, nachfolgend in
mehreren Schritten durch resonant eingestrahltes Laserlicht ionisiert und die erzeugten Photoionen massenselektiv
nachgewiesen. Die hohe Empfindlichkeit ist durch die hohen optischen Wirkungsquerschnitte
bedingt. Die zur Sättigung der resonanten Anregungsschritte erforderlichen Photonenflüsse lassen sich
durch Farbstofflaser, die von Kupferdampflasern hoher Repetitionsrate (νrep = 6.5 kHz) gepumpt werden,
erreichen. Die optische Selektivität beträgt etwa 10 5 pro resonantem Anregungsschritt. Neben der Atomstrahltechnik,
bei der die Probe von einem geheizten Filament verdampft wird und der erzeugte thermische
Atomstrahl senkrecht von den (gepulsten) Laserstrahlen durchsetzt wird, läßt sich dieses Konzept durch
Verwendung einer Laserionenquelle (LIQ) erweitern. Hierbei wird die Probe in einer heißen Kammer verdampft.
Die Laserstrahlen zur resonanten Ionisation werden durch eine kleine Öffnung eingespiegelt. Da die
Atome erst nach im Mittel etwa 40 Wandstößen aus der Kammer diffundieren, haben sie die Möglichkeit,
mehrmals mit dem Laserlicht wechselzuwirken, was zu einer gesteigerten Empfindlichkeit im Vergleich zur
Atomstrahlmethode führt. Prinzipiell läßt sich eine Effizienz von nahezu 100 % erreichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine LIQ, bestehend aus einer Kammer aus höchstreinem, pyrolytisch
beschichtetem Graphit, aufgebaut. Im Experiment am Technetium konnte hiermit eine Quelleneffizienz
von nur εLIQ = 0.4 % erreicht werden, da die optischen Übergänge mit den zur Verfügung stehenden
Laserleistungen nicht gesättigt werden konnten. Aus der erreichten Gesamteffizienz von εT OT = 2 · 10 −5 ,
die durch Transmissionsverluste in der Apparatur limitiert war, konnte eine Nachweisgrenze von 5 · 10 6
Atomen 99 Tc bei einer eingesetzten Menge von 3.2 · 10 −8 Atomen 99 Tc extrapoliert werden. Dieser Wert
ist um mehr als 3 Größenordnungen besser als der der konventionellen radiometrischen Methode, der β-
Spektroskopie. Die maximal erreichte Selektivität gegenüber oberflächenionisiertem Molybdän wurde zu S
= 4 · 10 4 (T = 1860 K) bestimmt. Bei den zur Verdampfung des Technetiums erforderlichen Temperaturen
reduzierte sich die Selektivität auf S = 3 · 10 3 (T = 2150 K). Die Meßzeiten pro Probe lagen bei weniger
als einer Stunde.
Beim Plutonium wurde eine Quelleneffizienz von weniger als 0.1 % erreicht. Als limitierend erwies sich das
niedrige Ionisationspotential des Plutoniums von W P u
I = 6.0 eV, was dazu führte, daß die Plutoniumatome
sehr effizient an der Graphitoberfläche oberflächenionisiert wurden.
6.4.2 Hochempfindlicher Technetiumnachweis mittels Resonanzionisations - Massenspektrometrie
in Verbindung mit einer Laserionenquelle
Bearbeiter: Dr. Friedhelm Ames
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. H.-J. Kluge
Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie stellt ein empfindliches und selektives Verfahren zum Nachweis
geringster Mengen eines Elements dar. Zur weiteren Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit wurde
der Einsatz einer Hochtemperatur-Laserionenquelle untersucht. Bei der Laserionenquelle wird die zu untersuchende
Probe in einer heißen Kammer verdampft und die Probenatome werden mittels Laserlicht, welches
in eine kleine Öffnung in der Kammer eingespiegelt wird, resonant angeregt und schließlich ionisiert. Die so
erzeugten Photoionen können dann nach Extraktion in einem Massenspektrometer nachgewiesen werden.
Eine solche Anordnung wurde zur spurenanalytischen Bestimmung von Technetium, welches zunehmend in
der Umweltanalytik an Bedeutung gewinnt, eingesetzt. Die mit der Laserionenquelle erzielte Ionisationseffizienz
für Technetium liegt bei einer Kammertemperatur von 2500 K bei 14 %.
Zunächst wurde eine Wolframkammer benutzt, die den Nachteil hat, daß Störungen durch Molybdän
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