Major- and trace-element composition of REE-rich turkestanite from peralkaline granites of the Morro Redondo Complex, Graciosa Province, south Brazil

Turkestanite, a rare Th- and REE-bearing cyclosilicate in the ekanite-steacyite group was found in evolved peralkaline granites from the Morro Redondo Complex, south Brazil. It occurs with quartz, alkali feldspar and an unnamed Y-bearing silicate. Electron microprobe analysis indicates relatively homogeneous compositions with maximum ThO(2), Na(2)O and K(2)O contents of 22.4%, 2.93% and 3.15 wt.%, respectively, and significant REE(2)O(3) abundances (5.21 to 11.04 wt.%). The REE patterns show enrichment of LREE over HREE, a strong negative Eu anomaly and positive Ce anomaly, the latter in the most transformed crystals. Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry trace element patterns display considerable depletions in Nb, Zr, Hf, Ti and Li relative to whole-rock sample compositions. Observed compositional variations suggest the influence of coupled substitution mechanisms involving steacyite, a Na-dominant analogue of turkestanite, iraqite, a REE-bearing end-member in the ekanite-steacyite group, ekanite and some theoretical end-members. Turkestanite crystals were interpreted as having precipitated during post-magmatic stages in the presence of residual HFSE-rich fluids carrying Ca, the circulation of which was enhanced by deformational events.

The direct determination of rare earth elements in basaltic and related rocks using ICP-MS: Testing the efficiency of microwave oven sample decomposition procedures

Tests are described showing the results obtained for the determination of REE and the trace elements Rb, Y, Zr, Nb, Cs, Ba, Hf, Ta, Pb, Th and U with ICP-MS methodology for nine basaltic reference materials, and thirteen basalts and amphibolites from the mafic-ultramafic Niquelandia Complex, central Brazil. Sample decomposition for the reference materials was performed by microwave oven digestion (HF and HNO(3), 100 mg of sample), and that for the Niquelandia samples also by Parr bomb treatment (5 days at 200 degrees C, 40 mg of sample). Results for the reference materials were similar to published values, thus showing that the microwave technique can be used with confidence for basaltic rocks. No fluoride precipitates were observed in the microwave-digested solutions. Total recovery of elements, including Zr and Hf, was obtained for the Niquelandia samples, with the exception of an amphibolite. For this latter sample, the Parr method achieved a total digestion, but not so the microwave decomposition; losses, however, were observed only for Zr and Hf, indicating difficulty in dissolving Zr-bearing minerals by microwave acid attack.

Mineralogy and trace-element geochemistry of the high-grade iron ores of the Aguas Claras Mine and comparison with the Capao Xavier and Tamandua iron ore deposits, Quadrilahero Ferrifero, Brazil

Several major iron deposits occur in the Quadrilatero Ferrifero (QF), southeastern region of Brazil, where metamorphosed and heterogeneously deformed banded iron formation (BIF) of the Caue Formation, regionally called itabirite, was transformed into high- (Fe >64%) and lowgrade (30%trace elements. The high-grade ores at the Aguas Claras Mine have at least a dual origin, involving hypogene and supergene processes. The occurrence of the hard, massive high-grade ore within ""fresh"" dolomitic itabirite is evidence of its hypogene origin. Despite the contention about the origin of the dolomitic itabirite (if this rock is a carbonate-rich facies of the Caue Formation or a hematite-carbonate precursor of the soft high-grade ore), mineralogical and geochemical features of the soft high-grade ore indicate that it was formed by leaching of dolomite from the dolomitic itabirite by meteoric water. The comparison of the Aguas Claras, Capao Xavier and Tamandua orebodies shows that the original composition of the itabiritic protore plays a major role in the genesis of high- and low-grade soft ores in the QF. Under the same weathering and structural conditions, the dolomitic itabirite is the more favorable to form high-grade deposits than siliceous itabirite. Field relations at the Aguas Claras and Capao Xavier deposits suggest that it is not possible to form huge soft high-grade supergene deposits from siliceous itabirite, unless another control, such as impermeable barriers, had played an important role. The occurrence in the Tamandua Mine of a large, soft, high-grade orebody formed from siliceous itabirite and closely associated with hypogene hard ore suggests that large, soft, high-grade orebodies of the Quadrilatero Ferrifero, which occur within siliceous itabirite, have a hypogene contribution in their formation.

Rainwater major and trace element contents in Southeastern Brazil: an assessment of a sugar cane region in dry and wet period

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Different tools to trace geographic origin and seasonality of croaker (Micropogonias furnieri)

The aim of this study was to use proximate chemical composition, macro and trace elements, fatty acid profile and stable isotopes as traceability tools to assess geographic origin and seasonality of croaker (Micropogonicts fumieri). Croaker from Parnaiba contained higher ash in July and lower fat content than croaker from Santos. In contrast, croaker from Santos had statistically higher proportion of 16:1n-9+16:1n-7, 20:1n-11, 20:1n-9, MUFA and n-3/n-6 ratio than croaker from Parnaiba. Concerning seasonality, croaker caught in July had significantly higher amounts of 14:0, 15:0, 16:1n-9+16:1n-7 and saturated fatty acids than fish caught in December. Concerning elements, significant differences were also detected between seasons for Cl, Ca, Fe, Sr and S, whereas differences between geographic origins were only observed with K. delta C-13 and delta N-15 were statistically different between geographic origins, whereas differences between seasons were only detected in delta N-15 ratio of croaker from Santos. Fatty acids, minerals and stable isotope are effective methods to trace geographic origin and seasonality of croaker. Nonetheless, further investigation is still required with larger samples of croaker to enable the implementation of fatty acids, elements or stable isotope as authenticity tools by food control agencies. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Isotopic, trace element and nutrient characterization of coastal waters from Ubatuba inner shelf area, south-eastern Brazil

Stable isotopes, tritium, radium isotopes, radon, trace elements and nutrients data were collected during two sampling campaigns in the Ubatuba coastal area (south-eastern Brazil) with the aim of investigating submarine groundwater discharge (SGD) in the region. The isotopic composition (delta D, delta(18)O, (3)H) of submarine waters was characterised by significant variability and heavy isotope enrichment. The stable isotopes and tritium data showed good separation of groundwater and seawater groups. The contribution of groundwater in submarine waters varied from a few % to 17%. Spatial distribution of (222)Rn activity concentration in surface seawater revealed changes between 50 and 200 Bq m(-3) which were in opposite relationship with observed salinities. Time series measurements of (222)Rn activity concentration in Flamengo Bay (from 1 to 5 kBq m(-3)), obtained by in situ underwater gamma-spectrometry showed a negative correlation between the (222)Rn activity concentration and tide/salinity. This may be caused by sea level changes as tide effects induce variations of hydraulic gradients, which increase (222)Rn concentration during lower sea level, and opposite, during high tides where the (222)Rn activity concentration is smaller. The estimated SGD fluxes varied during 22-26 November between 8 and 40 cm d(-1), with an average value of 21 cm d(-1) (the unit is cm(3)/cm(2) per day). The radium isotopes and nutrient data showed scattered distributions with offshore distance and salinity. which implies that in a complex coast with many small bays and islands, the area has been influenced by local currents and groundwater-seawater mixing. SGD in the Ubatuba area is fed by coastal contaminated groundwater and re-circulated seawater (with small admixtures of groundwater). which claims for potential environmental concern with implications on the management of freshwater resources in the region. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Arsenic and trace metal contents in sediment profiles from the Admiralty Bay, King George Island, Antarctica

Admiralty Bay (Antarctica) hosts three scientific stations (Ferraz, Arctowski and Macchu Picchu), which require the use of fossil fuel as an energy source. Fossil fuels are also considered the main source of pollution in the area, representing important inputs of major pollutants (organic compounds) and trace metals and metalloids of environmental interest. Accordingly, this work presents the results of As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn in sediment profiles from Admiralty Bay. The sediment results from Ferraz station were slightly higher than the other sampling sites. The highest contents were observed for Cu and Zn (from 44 to 89 mg kg(-1)). Otherwise, by using enrichment factors and geochronology analysis, the most relevant enrichment was observed for As in the samples collected close to the Ferraz station, indicating that increasing As content may be associated with the activities associated with this site. Published by Elsevier Ltd.

Crystallization conditions and controls on trace element residence in the main minerals from the Pedra Branca Syenite, Brazil: An electron microprobe and LA-ICPMS study

Major and trace-element microanalyses of the main minerals from the 610 Ma Pedra Branca Syenite, southeast Brazil, allow inferences on intensive parameters of magmatic crystallization and on the partition of trace-elements among these minerals, with important implications for the petrogenetic evolution of the pluton. Two main syenite types make up the pluton, a quartz-free syenite with tabular alkali feldspar (laminated silica-saturated syenite, LSS, with Na-rich augite + phlogopite + hematite + magnetite + titanite + apatite) and a quartz-bearing syenite (laminated silica-oversaturated syenite, LSO, with scarce corroded plagioclase plus diopside + biotite +/- hornblende + ilmenite magnetite +/- titanite + apatite). Both types share a remarkable enrichment in incompatible elements as K, Ba, Sr, P and LREE. Apatite saturation temperatures of similar to 1060-1090 degrees C are the best estimates of liquidus, whereas the pressure of emplacement, based on Al-in-hornblende barometry, is estimated as 3.3 to 4.8 khan Although both units crystallized under oxidizing conditions, oxygen fugacity was probably higher in LSS, as shown by higher mg# of the mafic minerals and higher hematite contents in Hem-Ilm(ss). In contrast with the Ca-bearing alkali-feldspar from LSO, which hosts most of the whole-rock Sr and Pb, virtually Ca-free alkali-feldspar from LSS hosts similar to 50% of whole-rock Sr and similar to 80% of Pb, the remainder of these elements being shared by apatite, pyroxene and titanite. This contrast reflects a strong crystal-chemical control, whereby a higher proportion of an element with similar ratio and charge (Ca2+) enhances the residence of Sr and Pb in the M-site of alkali feldspar. The more alkaline character of the LSS magma is inferred to have inhibited zircon saturation; Zr + Hf remained in solution until late in the crystallization, and were mostly accommodated in the structure of Ca-Na pyroxene and titanite, which are one order of magnitude richer in these elements compared to the same minerals in LSO, where most of Zr and Hf are inferred to reside in zircon. The REE, Th and U reside mostly in titanite and apatite; D(REE)Tit/Ap raises steadily from 1 to 6 from La to Tb then remains constant up to Lu in the LSO sample; these values are about half as much in the LSS sample, where lower contents of incompatible elements in titanite are attributed to its greater modal abundance and earlier crystallization. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nutrients and Nonessential Elements in Soil after 11 Years of Wastewater Irrigation

Irrigation of citrus (Citrus aurantium L. x Citrus paradise Macf.) with urban reclaimed wastewater (RWW) can be economical and conserve fresh water. However, concerns remain regarding its deleterious effects on soil quality. We investigated the ionic speciation (ISP) of RWW and potential impacts of 11 yr of irrigation with RWW on soil quality, compared with well-water (WW) irrigation. Most of nutrients (similar to 53-99%) in RWW are free ionic species and readily available for plant uptake, such as: NH4+, NO3-, K+, Ca2+, Mg2+, SO42-, H3BO3, Cl-, Fe2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, and Ni2+, whereas more than about 80% of Cu, Cr, Pb, and Al are complexed with CO3-, OH-, and/or organic matter. The RWW irrigation increased the availability and total concentrations of nutrients and nonessential elements, and soil salinity and sodicity by two to three times compared with WW-irrigated soils. Although RWW irrigation changed many soil parameters, no difference in citrus yield was observed. The risk of negative impacts from RWW irrigation on soil quality appears to be minimal because of: (i) adequate quality of RWW, according to USEPA limits; (ii) low concentrations of metals in soil after 11 yr of irrigation with RWW; and (iii) rapid leaching of salts in RWW-irrigated soil during the rainy season.

Evaluation of the Concentration of Nonessential and Essential Elements in Chicken, Pork, and Beef Samples Produced in Brazil

Food safety is a global concern. Meat represents the most important protein source for humans. Thus, contamination of meat products by nonessential elements is a ready source of human exposure. In addition, knowledge of the concentration of essential elements is also relevant with respect to human nutrition. The aim of the present study was to determine the concentration of 17 elements in pork, beef, and chicken produced in Brazil. Meat samples were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry. The estimated daily intake for nonessential elements including arsenic (As), cadmium (Cd), lead (Pb), mercury (Hg), and antimony (Sb) through meat consumption is below the toxicological reference values. However, high levels were detected for the nonessential element cesium (Cs), mainly in beef samples, an observation that deserves future studies to identify the source of contamination and potential adverse consequences.

Rainwater major and trace element contents in Southeastern Brazil: an assessment of a sugar cane region in dry and wet period

The purpose of this study was to assess the composition of the rainwater in Araraquara City, Brazil, a region strongly influenced by pre-harvest burning of sugar cane crops. Chemical and mineralogical variables were measured in rainwater collected during the harvest, dry period of 2009 and the non-harvest, wet period of 2010. Ca2+ and NH4+ were responsible for 55% of cations and NO3- for 45% of anions in rainwater. Al and Fe along with K were the most abundant among trace elements in both soluble and insoluble fractions. High volume weighted mean concentration (VWM) for most of the analyzed species were observed in the harvest, dry period, mainly due to agricultural activities and meteorological conditions. The chemistry of the Araraquara rainwater and principal component analysis (PCA) quantification clearly indicate the concurrence of a diversity of sources from natural to anthropogenic especially related to agricultural activities.

Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

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.

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.