Resonanzionisation zum Nachweis und zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen

Die resonante Laserionisation hat sich als ein universales Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen etabliert, die eine selektive Ionisation bei hoher Effizienz erfordern. Hierzu wurden zwei Lasersysteme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Schwerpunkten entwickelt und in dieser Arbeit angewendet. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie zum Ultraspurennachweis von 41Ca vorgestellt. Hierzu wurden drei kontinuierliche Diodenlaser mit einem Quadrupolmassenspektrometer kombiniert. Bei einer Nachweiseffizienz von 1 × 10^−5 konnte eine Nachweisgrenze von 2 × 10^-13 41Ca/totCa erreicht werden. Das in den Routinebetrieb überführte Meßverfahren ermöglichte die Teilnahme an einem interdisziplinären Netzwerk zur Osteoporose-Forschung. In Vergleichsmessungen der Resonanzionisations-Massenspektrometrie mit allen derzeit existierenden Meßverfahren zum 41Ca-Ultraspurennachweis konnte eine sehr gute Übereinstimmung erzielt werden. Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Adaption eines durchstimmbaren, hochrepetierenden Titan:Saphir-Lasersystem für den Einsatz an Laserionenquellen zur selektiven Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen. Das entwickelte Lasersystem ermöglicht eine effiziente, resonante Anregung des Großteils der Elemente im Periodensystem. Hierzu wurde eine kombinierte Frequenzverdopplungs- und Frequenzverdreifachungseinheit zur Erzeugung höherer Harmonischer aufgebaut. Die Anwendbarkeit eines solchen reinen Festkörper-Lasersystems wurde in zahlreichen off-line Testmessungen sowohl in Mainz als auch an den ISOL Einrichtungen am TRIUMF und ORNL gezeigt und führte zum ersten on-line Einsatz am TRIUMF.

Resonant laser ionization has been established as a universal technique for applications, which require a selective ionization and high efficiency. In this thesis two laser systems were developed and applied to attain different objectives. The first part describes the development of high resolution resonance ionization mass spectrometry (RIMS) for the ultra-trace analysis of 41Ca. Therefore three continuous diode lasers were combined with a quadrupole mass spectrometer. At an efficiency of 1×10^−5 a detection level of 2×10^−13 41Ca/totCa was achieved. The method allowed the participation in an interdisciplinary osteoporosis research network. Intercomparison measurements demonstrated an excellent agreement between RIMS and all other present 41Ca ultra-trace analysis methods. The second part of the thesis refers to the adaptation of a tunable, high repetition rate titanium:sapphire laser system for the selective production of radioactive ion beams at a laser ion source, making an efficient resonant excitation of the majority of the elements of the periodic system possible. Hence a combined frequency doubling and tripling unit was constructed. The applicability of the solid-state laser system was demonstrated in off-line measurements at Mainz and on the ISOL facilities at TRIUMF and ORNL and resulted in the first on-line run at TRIUMF.