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

auftreten, welches als Verunreinigung in Wolfram vorliegt und nach Diffusion an der heißen Oberfläche
ionisiert wird. Weiterhin erschweren die gemessenen langen Wandhaftungszeiten von Technetium an Wolframoberflächen
eine sehr empfindliche Bestimmung. Deshalb wurde damit begonnen, eine Graphitkammer
aufzubauen, um einmal den Molybdänhintergrund zu reduzieren und zum anderen die Wnadhaftungszeiten
zu verkürzen. Mit dieser neuen Kammer wurde untersucht, welche Empfindlichkeitssteigerung für die
Spurenanalyse des Technetiums und anderer radiotoxischer Elemente erzielt werden kann.
6.4.3 Resonante Laserionisations-Massenspektrometrie an Gadolinium zur Isotopenhäufigkeitsanalyse
mit geringsten Mengen
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Klaus Blaum
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten
Die selektive Spuren- und Ultraspurenanalyse des Erdalkalielements Gadolinium eröffnet eine Vielzahl
von Anwendungen in der Biomedizin, der Kosmochemie und der Umweltanalytik. Diese erfordern hohe
Isotopen- und Isobarenselektivitaten im Bereich von etwa 10 7 sowie Gesamteffizienzen von ε > 10 −6 , die
mit herkömmlichen Massenspektrometrieverfahren nicht oder nur schwer erreicht werden können. Aus
diesem Grund wurde der Einsatz der resonanten Laserionisations-Massenspektrometrie untersucht. Die
Promotionsarbeit beschäftigte sich dabei mit den Schwerpunkten: Weiterentwicklung und Anpassung des
existierenden Diodenlaser-Quadrupol-nachweissystems auf die Fragestellungen, Spezifizierung des Quadrupolmassenspektrometers
im Massenbereich bis 160 amu, experimentelle Realisation und Charakterisierung
eines effizienten dreistufig resonanten Ionisationsschemas für Gd sowie Anwendung des Verfahrens und
Durchführung von analytischen Studien.
Im theoretischen Teil der Arbeit wurden die Bewegungsgleichungen für den idealen hyperbolischen und den
realen Quadrupolmassenfilter mit runder Stabgeometrie abgeleitet. Die Auswirkungen von Feldabweichungen
auf die Form der Massenpeaks wurden diskutiert. Zudem wurden die für die spektroskopischen Studien
relevanten Größen Isotopieverschiebung und Hyperfeinstruktur sowie die Linienform autoionisierender Resonanzen
erörtert.
Ein großer Teil der Arbeit beschäftigte sich mit Computersimulationen des vollständigen, realen Quadrupol-
Massenspektrometers, bestehend aus Ionenquelle, Quadrupol-Massenfilter und Detektor. Zur Berechnung
der Feldabweichungen und der Ionenflugbahnen wurden zwei unterschiedliche Simulationsprogramme eingesetzt.
Im Mittelpunkt stand die Vorhersage der erreichbaren Nachbarmassenunterdrückung und die
Bestimmung der absoluten Transmission in Abhängigkeit von der Auflösung.
Der experimentelle Teil umfasste die apparative Weiterentwicklung insbesondere der Atomstrahlquelle und
des Lasersystems, die experimentelle Charakterisierung des Quadrupol-Massenspektrometers hinsichtlich
der genannten Größen sowie die laserspektroskopischen Studien zum Auffinden eines effizienten dreifach
resonanten Anregungsschemas. Bei letzterem wurden die Isotopieverschiebungen und Hyperfeinstrukturen
aller stabilen Gadoliniumisotope in zahlreichen Übergängen für die einfach, zweifach und dreifach resonante
Ionisation präzise vermessen. Das aufgenommene Spektrum autoionisierender Resonanzen im Bereich
von 7.5 THz zeigte etwa 150 bislang nicht bekannte Zustände mit Resonanzüberhöhungen von bis zu
fünf Größenordnungen im Ionisationswirkungsquerschnitt. Durch Hyperfeinzustandsselektion wurde eine
Methode entwickelt, die die Bestimmung der Drehimpulsquantenzahl J der autoionisierenden Resonanzen
ermöglichte.
Die analytische Charakterisierung der dreistufig resonanten Ionisation [Xe] 4f 7 5d 1 6s 2 9 D6 → 6s 6p 9 F7
→ 6s 8s 9 D6 → AI (49663.576 cm −1 ) von Gadolinium ergab eine Isotopen- und Isobarenselektivitat von
SIsotop > 10 12 und SIsobar ≈ 1 · 10 7 . Die mit dem Diodenlasersystem erreichte Nachweiseffizienz von
ε = 3 · 10 −6 mit einer untergrundlimitierten Nachweisgrenze von wenigen 10 9 Atomen 158 Gd erlaubte erste
Demonstrationsmessungen an medizinischen Gewebeproben.
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