Abschlussbericht des Graduiertenkollegs (pdf) - Zentrum für ...
Abschlussbericht des Graduiertenkollegs (pdf) - Zentrum für ... 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. 26
6.4.4 Empfindlicher Nachweis toxischer Elemente mittels einer Laserionenquelle Bearbeiter: Dipl.-Phys. Hans-Ulrich Hasse Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. G. Huber Die Spurenanalyse von Schwermetallen in Umweltproben ist von vielfältigem Interesse und wird in vielen Fällen routinemäßig durchgeführt. Mit Methoden großer Nachweisempfindlichkeit kann man durch die Bestimmung von Bleigehalten in Bohrkernen aus antarktischem und alpinem Eis Aufschluß über zurückliegende Klimaveränderungen erhalten. Durch den isotopenselektiven Nachweis wird dabei eine Altersbestimmung über das Isotop 210 Pb möglich. Eine Bestimmung des Gehalts von 210 Pb in menschlichem Gewebe erlaubt außerdem Rückschlüsse auf eventuelle Radonbelastungen. Zur Vermessung solcher Proben wird eine isotopenselektive Nachweismethode mit einer Nachweisgrenze von weniger als 10 7 Atomen Blei benötigt. Die Resonanzionisations-Massenspektroskopie (RIMS) in Verbindung mit einer Laserionenquelle (LIQ) ist eine solche Methode, die durch Wahl der Laserfrequenzen und geeignete atomare Präparationen für viele Elemente zur Anwendung gebracht wird. Hierbei wird die Probe in einer heißen Kammer mit einem Loch zur Einspiegelung der Laserstrahlen atomar verdampft. Die Ionisation erfolgt durch eine dreistufige resonante Laseranregung. Die erzeugten Ionen werden mit einem elektrischen Feld aus der Kammer extrahiert und in einem doppelt fokussierenden Massenspektrometer massenselektiv nachgewiesen. Die Empfindlichkeit dieser Methode wurde in unserer Arbeitsgruppe am Beispiel des Radionuklids 99 Tc (Technetium) mit einer Nachweisgrenze (3σ) von 2·10 5 Atomen gezeigt. Erste Tests am schweren Radionuklid 239 Pu (Plutonium) ergaben eine Nachweisgrenze von 2·10 6 Atomen. Die von der Theorie vorhergesagten Photoionisationseffizienzen von einigen Prozent konnten bestätigt werden. An Blei wurden verschiedene Anregungsleitern für die Laseranregung getestet. Für die Photoionisation besonders geeignet ist die Anregung vom 6p 2 -Grundzustand in den 6p7s(1/2, 1/2)1-Zustand (Anregungswellenlänge λ = 283.3 nm) und von dort in den 6p8p(1/2, 3/2)2-Zustand mit λ = 600.2 nm. Da im Spektrum des Bleis keine geeigneten autoionisierenden Zustände zugänglich sind, ist durch den 3. Anregungsschritt mit dem vorhandenen Lasersystem keine Ionisation mit optimaler Effizienz möglich. Daher ist im Vergleich zum Technetium eine etwas geringere Nachweiseffizienz zu erwarten. Die Messungen an Radionukliden haben gezeigt, daß radioaktive Tracer zur Absoluteichung der Nachweiseffizienz wünschenswert sind. Bei Technetium soll 95 Tc, das durch eine (α,2n)-Reaktion aus Niob hergestellt werden kann, als Tracer getestet werden. Im Falle von Blei werden entsprechende Möglichkeiten diskutiert. 6.4.5 Messung von 90 Sr in Umweltproben Bearbeiter: Dipl.-Phys. Jörg Lantzsch Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten Nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 wurde deutlich, daß die üblichen radiochemischen Nachweisverfahren zum Nachweis von Kontaminationen in der Umwelt für einige Radionuklide unzureichend sind. Insbesondere der Nachweis der beiden reinen β-Strahler 89 Sr und 90 Sr erwies sich als viel zu zeitaufwendig. Es entstand daraufhin von Seiten der überwachenden Behörden der Wunsch nach einer neuen, schnellen und empfindlichen Methode zum Spurennachweis der Radionuklide 89,90 Sr. Im Vordergrund stand dabei der Nachweis von Kontaminationen in der Luft bzw. in atmosphärischen Aerosolen, da die Luft als primäres Transportmedium eine schnelle und weiträumige Verbreitung von Kontaminatoren ermöglicht. Seit 1989 wurde am Institut für Physik der Universität Mainz in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kernchemie eine Methode entwickelt, die einen empfindlichen Spurennachweis der beiden Isotope 89,90 Sr innerhalb eines Tages ermöglicht. Diese Methode beruht auf einer Kombination von konventioneller Massenspektrometrie, kollinearer Laseranregung am schnellen Atomstrahl und einem Feldionisationsnachweis. Dabei werden die nachzuweisenden Isotope nicht durch einen radioaktiven Zerfall identifiziert, sondern unter 27
- Seite 1 und 2: Johannes Gutenberg - Universität -
- Seite 3 und 4: 6.4.1 Resonanzionisationsmassenspek
- Seite 5 und 6: 8.2.6 Untersuchung der Auswirkungen
- Seite 7 und 8: 10.2.3 Publikationen im Zusammenhan
- Seite 9 und 10: Beteiligte Hochschullehrer und wiss
- Seite 11 und 12: Das bereits im ersten Bewilligungsz
- Seite 13 und 14: Praktikum ” Analytik“ Nagel, Te
- Seite 15 und 16: 5 Gastwissenschaftlerprogramm Gastw
- Seite 17 und 18: 6 Projekte am Fachbereich 18 (Physi
- Seite 19 und 20: are finally removed to the surface.
- Seite 21 und 22: der darin abgebildeten Hydrometeore
- Seite 23 und 24: ein eindimensionales Atmosphärenmo
- Seite 25: dem Standardsonnenmodell etwa 10 8
- Seite 29 und 30: Basierend auf der zweifach resonant
- Seite 31 und 32: quelleneffizienzen von typisch ≈
- Seite 33 und 34: Kunze, S., R. Hohmann, H.-J. Kluge,
- Seite 35 und 36: 7 Projekte am Fachbereich 19 (Chemi
- Seite 37 und 38: 7.1.3 Publikationen im Zusammenhang
- Seite 39 und 40: 7.2.3 Auswirkungen der organischen
- Seite 41 und 42: 8 Projekte am Fachbereich 21 (Biolo
- Seite 43 und 44: ändert sich bezüglich der GSA und
- Seite 45 und 46: in Reihenuntersuchungen erlauben, U
- Seite 47 und 48: 8.1.6 Untersuchungen zum Gehalt an
- Seite 49 und 50: 8.1.8 Vergleichende Untersuchungen
- Seite 51 und 52: geringeren Gehalt an Abwehrsubstanz
- Seite 53 und 54: chungen bestätigt. So konnte eine
- Seite 55 und 56: Pool bezogen auf die Ethylenprodukt
- Seite 57 und 58: PEUSER, D., WILD, A.: Umweltsimulat
- Seite 59 und 60: maier, L., Reinhardt, W., Sieferman
- Seite 61 und 62: anorganischen Kohlenstoff bzw. dem
- Seite 63 und 64: als im LL. Dieser Befund spricht f
- Seite 65 und 66: Faktor zwei über denen des lipophi
- Seite 67 und 68: Teil um Größenordnungen von den i
- Seite 69 und 70: Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. A. S
- Seite 71 und 72: in die Untersuchung einbezogen werd
- Seite 73 und 74: jeweiligen Generationszeit untersch
- Seite 75 und 76: Langzeitforschung und als Prognosei
6.4.4 Empfindlicher Nachweis toxischer Elemente mittels einer Laserionenquelle<br />
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Hans-Ulrich Hasse<br />
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. G. Huber<br />
Die Spurenanalyse von Schwermetallen in Umweltproben ist von vielfältigem Interesse und wird in vielen<br />
Fällen routinemäßig durchgeführt. Mit Methoden großer Nachweisempfindlichkeit kann man durch die Bestimmung<br />
von Bleigehalten in Bohrkernen aus antarktischem und alpinem Eis Aufschluß über zurückliegende<br />
Klimaveränderungen erhalten. Durch den isotopenselektiven Nachweis wird dabei eine Altersbestimmung<br />
über das Isotop 210 Pb möglich. Eine Bestimmung <strong>des</strong> Gehalts von 210 Pb in menschlichem Gewebe erlaubt<br />
außerdem Rückschlüsse auf eventuelle Radonbelastungen.<br />
Zur Vermessung solcher Proben wird eine isotopenselektive Nachweismethode mit einer Nachweisgrenze<br />
von weniger als 10 7 Atomen Blei benötigt. Die Resonanzionisations-Massenspektroskopie (RIMS) in Verbindung<br />
mit einer Laserionenquelle (LIQ) ist eine solche Methode, die durch Wahl der Laserfrequenzen<br />
und geeignete atomare Präparationen <strong>für</strong> viele Elemente zur Anwendung gebracht wird. Hierbei wird die<br />
Probe in einer heißen Kammer mit einem Loch zur Einspiegelung der Laserstrahlen atomar verdampft. Die<br />
Ionisation erfolgt durch eine dreistufige resonante Laseranregung. Die erzeugten Ionen werden mit einem<br />
elektrischen Feld aus der Kammer extrahiert und in einem doppelt fokussierenden Massenspektrometer massenselektiv<br />
nachgewiesen. Die Empfindlichkeit dieser Methode wurde in unserer Arbeitsgruppe am Beispiel<br />
<strong>des</strong> Radionuklids 99 Tc (Technetium) mit einer Nachweisgrenze (3σ) von 2·10 5 Atomen gezeigt. Erste Tests<br />
am schweren Radionuklid 239 Pu (Plutonium) ergaben eine Nachweisgrenze von 2·10 6 Atomen. Die von der<br />
Theorie vorhergesagten Photoionisationseffizienzen von einigen Prozent konnten bestätigt werden. An Blei<br />
wurden verschiedene Anregungsleitern <strong>für</strong> die Laseranregung getestet. Für die Photoionisation besonders<br />
geeignet ist die Anregung vom 6p 2 -Grundzustand in den 6p7s(1/2, 1/2)1-Zustand (Anregungswellenlänge<br />
λ = 283.3 nm) und von dort in den 6p8p(1/2, 3/2)2-Zustand mit λ = 600.2 nm. Da im Spektrum <strong>des</strong><br />
Bleis keine geeigneten autoionisierenden Zustände zugänglich sind, ist durch den 3. Anregungsschritt mit<br />
dem vorhandenen Lasersystem keine Ionisation mit optimaler Effizienz möglich. Daher ist im Vergleich<br />
zum Technetium eine etwas geringere Nachweiseffizienz zu erwarten. Die Messungen an Radionukliden<br />
haben gezeigt, daß radioaktive Tracer zur Absoluteichung der Nachweiseffizienz wünschenswert sind. Bei<br />
Technetium soll 95 Tc, das durch eine (α,2n)-Reaktion aus Niob hergestellt werden kann, als Tracer getestet<br />
werden. Im Falle von Blei werden entsprechende Möglichkeiten diskutiert.<br />
6.4.5 Messung von 90 Sr in Umweltproben<br />
Bearbeiter: Dipl.-Phys. Jörg Lantzsch<br />
Hauptbetreuer: Univ.-Prof. Dr. E. Otten<br />
Nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl 1986 wurde deutlich, daß die üblichen radiochemischen Nachweisverfahren<br />
zum Nachweis von Kontaminationen in der Umwelt <strong>für</strong> einige Radionuklide unzureichend sind.<br />
Insbesondere der Nachweis der beiden reinen β-Strahler 89 Sr und 90 Sr erwies sich als viel zu zeitaufwendig.<br />
Es entstand daraufhin von Seiten der überwachenden Behörden der Wunsch nach einer neuen, schnellen<br />
und empfindlichen Methode zum Spurennachweis der Radionuklide 89,90 Sr. Im Vordergrund stand dabei<br />
der Nachweis von Kontaminationen in der Luft bzw. in atmosphärischen Aerosolen, da die Luft als primäres<br />
Transportmedium eine schnelle und weiträumige Verbreitung von Kontaminatoren ermöglicht.<br />
Seit 1989 wurde am Institut <strong>für</strong> Physik der Universität Mainz in Zusammenarbeit mit dem Institut <strong>für</strong><br />
Kernchemie eine Methode entwickelt, die einen empfindlichen Spurennachweis der beiden Isotope 89,90 Sr<br />
innerhalb eines Tages ermöglicht. Diese Methode beruht auf einer Kombination von konventioneller Massenspektrometrie,<br />
kollinearer Laseranregung am schnellen Atomstrahl und einem Feldionisationsnachweis.<br />
Dabei werden die nachzuweisenden Isotope nicht durch einen radioaktiven Zerfall identifiziert, sondern unter<br />
27
Change language