Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

In this work the resonant ionization of neutral atoms using laser radiation was applied and optimized for ultra-trace analysis of the actinides thorium, uranium, neptunium and plutonium. The sensitive detection of these actinides is a challange for the monitoring and quantification of radioactive releases from nuclear facilities. Using resonance ionization spectroscopy combined with a newly developed quadrupole-mass-spectrometer, numerous energy levels in the atomic structure of these actinides could be identified. With this knowledge efficient excitation schemes for the mentioned acinides could be identified and characterised. The applied in-source-ionization ensures for a high detection efficiency due to the good overlap of laser radiation with the atomic beam and allows therefore for a low sample consumption which is required for the analysis of radio nuclides. The selective excitation processes in the resonant ionization method supresses unwanted contaminations and was optimized for analytical detection of ultra-trace amounts in environmental samples as well as for determination of isotopic compositions. The efficient in-source-ionization combined with high power pulsed laser radiation allows for detections efficiency up to 1%. For plutonium detection limits in the range of 10^4 - 10^5 atoms could be demonstrated for synthetic samples as well as for first environmental samples. The usage of narrow bandwidth continuous wave lasers in combination with a transversal overlap of the laser radiation and the free propagating atomic beam enable for resolving individual isotopic shifts of the reosnant transitions. This results in a high selectivity against dominant neighboring isotopes but with a signifikant loss in detection efficiency. For the ultra-trace isotope U-236 a detection limit down to 10^-9 for the isotope ratio N(U-236)/N(U-238) could be determined.