Diodenlaserbasierte Resonanzionisations-Massenspektrometrie zur Spektroskopie und Ultraspurenanalyse an Uranisotopen

In dieser Arbeit wird die Erweiterung und Optimierung eines Diodenlasersystems zur hochauflösenden Resonanzionisationsmassenspektrometrie beschrieben. Ein doppelinterferometrisches Frequenzkontrollsystem, welches Absolutstabilisierung auf ca. 1 MHz sowie sekundenschnelle Frequenzverstimmungen um mehrere GHz für bis zu drei Laser parallel ermöglicht, wurde optimiert. Dieses Lasersystem dient zwei wesentlichen Anwendungen. Ein Aspekt waren umfangreiche spektroskopische Untersuchungen an Uranisotopen mit dem Ziel der präzisen und eindeutigen Bestimmung von Energielagen, Gesamtdrehimpulsen, Hyperfeinkonstanten und Isotopieverschiebungen sowie die Entwicklung eines effizienten, mit kommerziellen Diodenlasern betreibbaren Anregungsschemas. Mit diesen Erkenntnissen wurde die Leistungsfähigkeit des Lasermassenspektrometers für die Ultraspurenanalyse des Isotops 236U, welches als Neutronendosimeter und Tracer für radioaktive anthropogene Kontaminationen in der Umwelt verwendet wird, optimiert und charakterisiert. Anhand von synthetischen Proben wurde eine Isotopenselektivität von 236U/238U=4,5(1,5)∙10-9 demonstriert.

In this doctoral thesis, the upgrade and optimization of a diode laser system for high-resolution resonance ionization mass spectrometry is described. A frequency-control system, based on a double-interferometric approach, allowing for absolute stabilization down to 1 MHz as well as frequency detunings of several GHz within a second for up to three lasers in parallel was optimized. This laser system was used for spectroscopic studies on uranium isotopes, yielding precise and unambiguous level energies, total angular momenta, hyperfine constants and isotope shifts. Furthermore, an efficient excitation scheme which can be operated with commercial diode lasers was developed. The performance of the complete laser mass spectrometer was optimized and characterized for the ultra-trace analysis of the uranium isotope 236U, which serves as a neutron flux dosimeter and tracer for radioactive anthropogenic contaminations in the environment. Using synthetic samples, an isotope selectivity of 236U/238U=4,5(1,5)∙10-9 was demonstrated.