Spektroskopie und Ultraspurenanalyse von Plutonium mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) ist sowohl für spektroskopische Untersuchungen seltener Isotope als auch für den Ultraspurennachweis langlebiger radioaktiver Elemente einsetzbar. Durch die mehrstufige resonante Anregung atomarer Energieniveaus mit anschließender Ionisation mit Laserlicht wird eine sehr hohe Elementselektivität und Ionisationseffizienz erreicht. Der nachfolgende massenselektive Ionennachweis liefert eine gute Isotopenselektivität zusammen mit einer effektiven Untergrundunterdrückung. Ein wichtiger Bestandteil der RIMS-Apparatur ist ein zuverlässig arbeitendes, leistungsstarkes Lasersystem für die Resonanzionisation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein von einem hochrepetierenden Nd:YAG-Laser gepumptes, aus drei Titan-Saphir-Lasern bestehendes System fertig aufgebaut und in den Routinebetrieb überführt. Die Titan-Saphir-Laser liefern im Durchstimmbereich von 730 - 880 nm eine mittlere Leistung von bis zu 3 W pro Laser bei einer Linienbreite von 2 - 3 GHz. Sie lassen sich computergesteuert in ihren Wellenlängen durchstimmen. Die mittels Resonanzionisation erzeugten Ionen werden dann in einem Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrer Masse aufgetrennt und mit einem Kanalplattendetektor nachgewiesen.Als Voraussetzung für die isotopenselektive Ultraspurenanalyse von Plutonium wurden mit diesem Lasersystem die Isotopieverschiebungen eines effizienten, dreistufigen Anregungsschema für Plutonium bestimmt. Die Laserleistungen reichen zur vielfachen Sättigung der ersten beiden Anregungsschritte und zur zweifachen Sättigung des dritten Anregungsschritts aus.Außerdem wurden die Ionisationsenergien von Pu-239 und Pu-244 zur Untersuchung ihrer Isotopenabhängigkeit bestimmt. Die beiden Ionisationsenergien sind im Rahmen der erreichten Genauigkeit bei einem Meßwert von IP239-IP244 = 0,24(82) cm^-1 gleich.Die Nachweiseffizienz der RIMS-Apparatur für Plutonium wurde in Effizienzmessungen zu 10^-5 bestimmt. Durch die gute Untergrundunterdrückung ergab sich daraus eine Nachweisgrenze von 10^6 Atomen bei der Messung eines Plutoniumisotops. Die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Proben mit einer zertifizierten Isotopenzusammensetzung lieferte eine gute Übereinstimmung der Meßwerte mit den angegebenen Zusammensetzungen.Die RIMS-Apparatur wurde zur Bestimmung des Gehalts und der Isotopenzusammensetzung von Plutonium in Meerwasser- und Staubproben eingesetzt.Auf Grund der Isotopenzusammensetzung konnte gezeigt werden, daß das Plutonium bei den meisten Proben aus dem Fallout von oberirdischen Kernwaffentests stammte. Des weiteren wurde Plutonium in Urinproben bestimmt. Die Nachweisgrenzen lagen bei diesen Umweltproben bei 10^6 bis 10^7 Atomen Plutonium und damit um zwei Größenordnungen niedriger als die Nachweisgrenze für Pu-239 bei der alpha-Spektroskopie, der Standardmethode für den Plutoniumnachweis.

Resonance Ionization Mass Spectrometry (RIMS) is a powerful tool for spectroscopic investigations of rare isotopes and for the ultra trace analysis of long-lived radioactive elements. By multiple step resonant laser excitation and ionization of the element under investigation, an extremely high element selectivity and ionization efficiency is achieved. The mass selective ion detection results in a good isotope selectivity and an efficient background suppression.One crucial component of the RIMS apparatus is a reliable high power laser system for the resonance ionization. During this work, a system consisting of three titanium-sapphire lasers pumped by a high repetition rate Nd:YAG laser has been completed and is now used routinely. The titanium-sapphire lasers deliver a mean power of up to 3 W in their tuning range from 730-880 nm with a line width of 2-3 GHz. The wavelength tuning is computerized.The resonantly ionized ions are then mass separated in a time-of-flight mass spectrometer und registered with a channel plate detector. As a prerequisite for the isotope selective ultra trace analysis of plutonium the isotope shifts in an efficient three step ionization scheme have been determined with this laser system. The laser powers suffice for multiple saturation of the first two transitions and double saturation of the last one.Furthermore the ionization potentials of Pu-239 and Pu-244 have been determined to study their isotope dependency. With a measured value of IP239-IP244 = 0,24(82) cm^-1, both ionization potentials have the same value within the precision achieved. The detection efficiency of the RIMS apparatus for plutonium has been measured to 10^-5. The good background suppression led to a detection limit of 10^6 atoms of a single plutonium isotope. Measurements of the composition of certified plutonium isotope standards showed good agreements with the certified values. The RIMS apparatus has been used for the isotope selective measurement of plutonium in sea water and dust samples. The isotopic composition showed that the plutonium mostely originated from the fallout of nuclear weapons tests. Additionally, plutonium has been measured in urine samples. The detection limit for these environmental samples ranged from 10^6 to 10^7 atoms of plutonium and thus is 2 orders of magnitude better than the detection limit of alpha-spectroscopy for Pu-239, the standard method for plutonium analysis.