Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Investigation of a superthermal ultracold neutron source based on a solid deuterium converter for the TRIGA Mainz reactor

Research in fundamental physics with the free neutron is one of the key tools for testing the Standard Model at low energies. Most prominent goals in this field are the search for a neutron electric dipole moment (EDM) and the measurement of the neutron lifetime. Significant improvements of the experimental performance using ultracold neutrons (UCN) require reduction of both systematic and statistical errors.rnThe development and construction of new UCN sources based on the superthermal concept is therefore an important step for the success of future fundamental physics with ultracold neutrons. rnSignificant enhancement of today available UCN densities strongly correlates with an efficient use of an UCN converter material. The UCN converter here is to be understood as a medium which reduces the velocity of cold neutrons (CN, velocity of about 600 m/s) to the velocity of UCN (velocity of about 6 m/s).rnSeveral big research centers around the world are presently planning or constructing new superthermal UCN sources, which are mainly based on the use of either solid deuterium or superfluid helium as UCN converter.rnThanks to the idea of Yu.Pokotilovsky, there exists the opportunity to build competitive UCN sources also at small research reactors of the TRIGA type. Of course these smaller facilities don't promise high UCN densities of several 1000 UCN/cm³, but they are able to provide densities around 100 UCN/cm³ for experiments.rnIn the context of this thesis, it was possible to demonstrate succesfully the feasibility of a superthermal UCN source at the tangential beamport C of the research reactor TRIGA Mainz. Based on a prototype for the future UCN source at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in munich, which was planned and built in collaboration with the Technical University of Munich, further investigations and improvements were done and are presented in this thesis. rnIn parallel, a second UCN source for the radial beamport D was designed and built. The comissioning of this new source is foreseen in spring 2010.rnAt beamport D with its higher thermal neutron flux, it should be possible to increase the available UCN densities of 4 UCN/cm³ by minimum one order of magnitude.

First measurements of the aSPECT spectrometer

The aSPECT spectrometer has been constructed to measure, with high precision, the integral proton spectrum of the free neutron decay. From this spectrum the neutrino electron angular correlation coefficient a can be inferred. The coefficient a is involved in several Standard Model tests, like the unitarity test of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark mixing matrix. aSPECT has been designed to determine the coefficient a with an accuracy better than 3×10−4, that is, one order of magnitude better than the best current accuracy. First measurements with neutron beam with the aSPECT spectrometer were performed in the Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, in Munich. A study of the data taken in this period is presented in this thesis, demonstrating the proof of principle of the spectrometer. However, the observation of situation and time-dependent background instabilities impedes the report of a new value of the coefficient a. A thorough data analysis is carried out to identify sources of these background instabilities in order to improve the aSPECT experiment for future beam times. The investigation indicates that trapped particles are most likely the reason for the background problems. Furthermore, it has been observed that measurements containing less trapped particles provide a-values closer to the currently Particle Data Group value. Based on this findings, different measures are proposed to eliminate potential traps in the spectrometer. Indeed, with the proposed modifications realized for the following beam-times, the observed background instabilities were greatly reduced.

Characterization of electromagnetic fields in the aSPECT spectrometer and reduction of systematic errors

Das aSPECT Spektrometer wurde entworfen, um das Spektrum der Protonen beimrnZerfall freier Neutronen mit hoher Präzision zu messen. Aus diesem Spektrum kann dann der Elektron-Antineutrino Winkelkorrelationskoeffizient "a" mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das Ziel dieses Experiments ist es, diesen Koeffizienten mit einem absoluten relativen Fehler von weniger als 0.3% zu ermitteln, d.h. deutlich unter dem aktuellen Literaturwert von 5%.rnrnErste Messungen mit dem aSPECT Spektrometer wurden an der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in München durchgeführt. Jedoch verhinderten zeitabhängige Instabilitäten des Meßhintergrunds eine neue Bestimmung von "a".rnrnDie vorliegende Arbeit basiert hingegen auf den letzten Messungen mit dem aSPECTrnSpektrometer am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich. Bei diesen Messungen konnten die Instabilitäten des Meßhintergrunds bereits deutlich reduziert werden. Weiterhin wurden verschiedene Veränderungen vorgenommen, um systematische Fehler zu minimieren und um einen zuverlässigeren Betrieb des Experiments sicherzustellen. Leider konnte aber wegen zu hohen Sättigungseffekten der Empfängerelektronik kein brauchbares Ergebnis gemessen werden. Trotzdem konnten diese und weitere systematische Fehler identifiziert und verringert, bzw. sogar teilweise eliminiert werden, wovon zukünftigernStrahlzeiten an aSPECT profitieren werden.rnrnDer wesentliche Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Analyse und Verbesserung der systematischen Fehler, die durch das elektromagnetische Feld aSPECTs hervorgerufen werden. Hieraus ergaben sich vielerlei Verbesserungen, insbesondere konnten die systematischen Fehler durch das elektrische Feld verringert werden. Die durch das Magnetfeld verursachten Fehler konnten sogar soweit minimiert werden, dass nun eine Verbesserung des aktuellen Literaturwerts von "a" möglich ist. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit ein für den Versuch maßgeschneidertes NMR-Magnetometer entwickelt und soweit verbessert, dass nun Unsicherheiten bei der Charakterisierung des Magnetfeldes soweit reduziert wurden, dass sie für die Bestimmung von "a" mit einer Genauigkeit von mindestens 0.3% vernachlässigbar sind.

Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

Molekulare Ursachen und therapeutische Intervention bei der Alzheimer-Demenz

Ein charakteristisches, neuropathologisches Merkmal der Alzheimer-Demenz (AD), der am häufigsten vorkommenden Demenz-Form des Menschen, ist das Auftreten von senilen Plaques im Gehirn der Patienten. Hierbei stellt das neurotoxische A-beta Peptid den Hauptbestandteil dieser Ablagerungen dar. Einen Beitrag zu der pathologisch erhöhten A-beta Generierung liefert das verschobene Expressionsgleichgewicht der um APP-konkurrierenden Proteasen BACE-1 und ADAM10 zu Gunsten der beta-Sekretase BACE-1. In der vorliegenden Dissertation sollten molekulare Mechanismen identifiziert werden, die zu einem pathologisch veränderten Gleichgewicht der APP-Spaltung und somit zum Entstehen und Fortschritt der AD beitragen. Des Weiteren sollten Substanzen identifiziert werden, die durch Beeinflussung der Genexpression einer der beiden Proteasen das physiologische Gleichgewicht der APP-Prozessierung wiederherstellen können und somit therapeutisch einsetzbar sind.rnAnhand eines „Screenings“ von 704 Transkriptionsfaktoren wurden 23 Faktoren erhalten die das Verhältnis ADAM10- pro BACE-1-Promotor Aktivität beeinflussten. Exemplarisch wurden zwei der molekularen Faktoren auf ihren Wirkmechanismus untersucht: Der TF „X box binding protein-1“ (XBP-1), der die so genannte „unfolded protein response“ (UPR) reguliert, erhöhte die Expression von ADAM10 in Zellkultur-Experimenten. Die Menge dieses Faktors war in AD-Patienten im Vergleich zu gesunden, Alters-korrelierten Kontrollen signifikant erniedrigt. Im Gegensatz dazu verminderte der Seneszenz-assoziierte TF „T box 2“ (Tbx2) die Menge an ADAM10 in SH-SY5Y Zellen. Die Expression des Faktors selbst war in post-mortem Kortexgewebe von AD-Patienten erhöht. Zusätzlich zu den TFs konnten in einer Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum München drei microRNAs (miRNA 103, 107, 1306) bioinformatisch prädiziert und experimentell validiert werden, die die Expression des humanen ADAM10 reduzierten.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnten damit körpereigene Faktoren identifiziert werden, die die Menge an ADAM10 regulieren und folglich potenziell an der Entstehung der gestörten Homöostase der APP-Prozessierung beteiligt sind. Somit ist die AD auch im Hinblick auf eine A-beta-vermittelte Pathologie als multifaktorielle Krankheit zu verstehen, in der verschiedene Regulatoren zur gestörten APP-Prozessierung und somit zur pathologisch gesteigerten A-beta Generierung beitragen können. rnEine pharmakologische Erhöhung der ADAM10 Genexpression würde zu der Freisetzung von neuroprotektivem APPs-alpha und gleichzeitig zu einer reduzierten A-beta Generierung führen. Deshalb war ein weiteres Ziel dieser Arbeit die Evaluierung von Substanzen mit therapeutischem Potenzial im Hinblick auf eine erhöhte ADAM10 Expression. Von 640 FDA-zugelassenen Medikamenten einer Substanz-Bibliothek wurden 23 Substanzen identifiziert, die die Menge an ADAM10 signifikant steigerten während die Expression von BACE-1 und APP unbeeinflusst blieb. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Pathologie (Johannes Gutenberg Universität Mainz) wurde ein Zellkultur-basiertes Modell etabliert, um die Permeationsfähigkeit der potenziellen Kandidaten-Substanzen über die Blut-Hirn Schranke (BHS) zu untersuchen. Von den 23 Medikamenten konnten neun im Rahmen des etablierten Modells als BHS-gängig charakterisiert werden. Somit erfüllen diese verbleibenden Medikamente die grundlegenden Anforderungen an ein AD-Therapeutikum. rnADAM10 spaltet neben APP eine Vielzahl anderer Substrate mit unterschiedlichen Funktionen in der Zelle. Zum Beispiel reguliert das Zelladhäsionsmolekül Neuroligin-1 (NL-1), das von ADAM10 prozessiert wird, die synaptische Funktion exzitatorischer Neurone. Aus diesem Grund ist die Abschätzung potenzieller, Therapie-bedingter Nebenwirkungen sehr wichtig. Im Rahmen eines Forschungsaufenthalts an der Universität von Tokio konnte in primären, kortikalen Neuronen der Ratte bei einer Retinoid-induzierten Erhöhung von ADAM10 neben einer vermehrten alpha-sekretorischen APP-Prozessierung auch eine gesteigerte Spaltung von NL-1 beobachtet werden. Dies lässt vermuten, dass bei einer Behandlung mit dem Retinoid Acitretin neben einer vermehrten APP-Spaltung durch ADAM10 auch die Regulation glutamaterger Neurone durch die Spaltung von NL-1 betroffen ist. Anhand eines geeigneten Alzheimer-Tiermodells sollten diese Befunde weiter analysiert werden, um so auf einen sicheren therapeutischen Ansatz bezüglich einer vermehrten ADAM10 Genexpression schließen zu können.rn