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.

Kernspektroskopie an N=40 und N=82 Nukliden

Der astrophysikalische r-Prozeß (schneller Neutroneneinfang), ist verantwortlich für die Nukleosynthese einer großen Zahl von Elementen, die schwerer als Eisen sind. Benutzt man das ''waiting-point''-Modell, so kann die Häufigkeitsverteilung der Elemente durch drei nukleare und drei stellare Input-Parameter beschrieben werden. Für einen gegebenen Satz von stellaren Parametern definiert die Neutronenseparationsenergie (Sn) den r-Prozeß-Pfad. Die beta-Zerfall-Halbwertszeit (T1/2) der Kerne im r-Prozeß-Pfad bestimmt die Häufigkeit des Vorläufers und bezieht man die Neutronenemissionswahrscheinlichkeit (Pn) mit ein, so auch die endgültige Häufigkeitsverteilung. Von besonderer Wichtigkeit sind die neutronenreichen ''waiting-point''-Isotope. Zum Beispiel sind die N=82 Isotope verantwortlich für den solaren A~130 Häufigkeits-Peak. Diese Arbeit befaßt sich mit der Identifizierung und der Untersuchung von Zerfallseigenschaften neutronenreicher Isotope des Mangan (A=61 bis 69) und Cadmium (A=130 bis 132). Neutronenreiche Nuklide zu erzeugen und zu detektieren ist ein komplizierter und zeitaufwendiger Prozeß, nichts desto trotz erfolgreich. Das Hauptproblem bei dieser Art von Experimenten ist der hohe isobare Untergrund. Aus diesem Grunde wurden speziell entwickelte Anregungsschemata für Mangan und Cadmium eingesetzt, um die gewünschten Isotope mittels Laser-Resonanzionisation chemisch selektiv zu ionisieren. Bei CERN/ISOLDE war es möglich im Massenbereich von 60^Mn bis 69^Mn neue Halbwertszeiten und Pn-Werte zu bestimmen. Für 64^Mn und 66^Mn konnten darüber hinaus erstmals noch partielle Zerfallsschemata aufgestellt werden. Es zeigte sich, daß die Ergebnisse teilweise recht überraschend waren, da sie nicht durch das QRPA-Modell vorhergesagt wurden. Mit Hilfe vergleichender Studien des Gesamttrends der Niveausystematiken der gg-Kerne von 26_Fe, 30_Zn, 32_Ge, 24_Cr und 28_Ni konnte ein Verschwinden der sphärischen N=40 Unterschale und die Existenz einer neuen Region mit signifikanter Deformation nachgewiesen werden, die vermutlich ihr ''Zentrum'' bei 64^Cr hat. Ebenfalls zeigen Studien der Niveausystematik bei 48Cd und der Vergleich mit 46_Pd, 54_Xe, 52_Te und 50_Sn, erste Hinweise eines Schalenquenchings bei N=82. Es wurde die Messung der Halbwertszeit von 130^Cd verbessert und die Halbwertszeiten von 131^Cd und 132^Cd erstmals bestimmt. Die neuen Daten können nur erklärt werden, wenn man bei der QRPA-Rechnung verbotene Übergänge mitberücksichtigt. Es genügt nicht, die Rechnung für reinen Gamow-Teller-Zerfall durchzuführen.

Laserionisation und Laserionenquelle an ISOLDE, CERN

Es wurden im Rahmen des COMPLIS Experimentes laserspektroskopische Untersuchungen der neutronenarmen Platinisotope 178-185Pt durchgeführt. Die Kerndeformation der geraden Platinisotope baut sich ab dem Isotop 188Pt langsam auf und erreicht ein Maximum bei A=180. Danach nimmt die Deformation bis zum 178Pt wieder leicht ab. Zudem zeigen die Kernladungsradien um die Mitte der Neutronenschale bei N=104 einen inversen Gerade-Ungerade-Effekt. Die ungeraden Platinisotope werden durch eine axial-prolate Kernform, die geraden Platinisotope durch eine triaxiale Struktur beschrieben. Im zweiten Teil der Arbeit werden Messungen an der Laserionenquelle bei ISOLDE vorgestellt. Die Resonanzionisation mit abstimmbaren Lasern wird zur chemisch selektiven Ionisation in der Target-Ionenquelleneinheit eingesetzt. Die Entwicklung einer Frequenzverdreifachung für das hochrepetierende Farbstofflasersystem ermöglichte die selektive Präparation von Ionenstrahlen der Elemente Beryllium, Cadmium und Zink an ISOLDE. Dabei wurde bei Beryllium eine Ionisationseffizienz von 9% erreicht. Zum ersten Male wurden in der Laserionenquelle laserspektroskopische Untersuchungen an exotischen Isotopen mit der Messung der Isotopieverschiebung von 7-14Be durchgeführt und bei den Silberisotopen wurde eine Isomerenseparation über die Hyperfeinstruktur erziehlt. Damit ergeben sich neue Anwendungen der Laserspektroskopie und der Laserseparation.

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.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.

Resonanzionisations-Massenspektrometrie mit gepulsten und kontinuierlichen Lasern an Plutonium

Zusammenfassung Zur Weiterentwicklung derResonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) für dieUltra-Spurenanalyse von Plutonium wurde im Rahmen dieserArbeit eine neue RIMS-Apparatur konzipiert und aufgebaut.Erstmals wurden bei der spektroskopischen Untersuchung vonPlutonium schmalbandige kontinuierliche Laser verwendet. Eswurdenumfangreiche Messreihen durchgeführt, um denResonanzionisationsprozess von Plutonium mit kontinuierlichenLasern zuspezifizieren und möglichst effiziente Anregungsleitern für dieResonanzionisation zu ermitteln. Ein maßgeblicherBestandteil derExperimente war in diesem Zusammenhang die Untersuchung vonautoionisierenden Zuständen. Für die zwei bestenAnregungsleiternwurden Sättigungsintensitäten, Linienbreiten sowieHyperfeinstruktur- und Isotopeneffekte vermessen. Mit denErkenntnissen aus diesen Voruntersuchungen konnten genaueIsotopenverhältnisbestimmungen durchgeführt werden. DieEffizienzdes Gesamtsystems wurde mit Hilfe von synthetischen Probenbestimmt. Alle Messungen wurden wegen der hohen Aktivität undRadiotoxizität von Plutonium mit vergleichsweise geringenTeilchenzahlen durchgeführt. Unterschiedliche Laserionisationsverfahren mit kontinuierlicheroder/und gepulster Laseranregung wurden hinsichtlich ihrerrelativen Effizienz und Selektivität direkt miteinanderverglichen. Weiterhin wurde ein sehr effizientes drei-Stufen, zwei-FarbenAnregungsschema für die gepulste Resonanzionisation vonPlutoniumuntersucht, welches u. a. auf einem Zwei-Photonenübergang ineinenautoionisierenden Zustand beruht. Schließlich wurden mit demetablierten RIMS-Verfahren eine Vielzahl von Umweltmessungendurchgeführt und es wurde an der Weiterentwicklung und derQualitätssicherung des Verfahrens gearbeitet.

Hochauflösende Resonanzionisationsspektroskopie an Samarium und Gadolinium

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die mehrstufige Resonanzionisation zur Spektroskopie im Gadolinium und Samarium eingesetzt und am Gadolinium für analytische Untersuchungen weiterentwickelt. Der Einsatzbereich der RIMS mit kontinuierlichen und gepulsten Lasern an komplexen Atomen wurde damit deutlich erweitert. Samarium und Gadolinium gehören zur Gruppe der Lanthanide, aufgrund der komplizierten Elektronenkonfigurationen zeichnen sie sich durch ein interessantes atomares Spektrum aus. Im Samarium wurde der erste von maximal drei resonanten Übergängen bezüglich Isotopieverschiebung und Hyperfein-strukturaufspaltung untersucht, knapp unterhalb des ersten Ionisationslimits nach möglichst ungestörten Rydbergserien gesucht und aus der Konvergenz dieser Serien das Ionisationspotenzial für 154Sm isotopenselektiv zu IP = 45519.30793(43) cm-1 bestimmt. Samarium und Gadolinium besitzen eine komplexe Kontinuumsstruktur, die sich durch schmale und starke autoionisierende Resonanzen auszeichnet. Daten früherer Untersuchungen zur Gadoliniumkontinuumsstruktur wurden in dieser Arbeit systematisch ausgewertet und durch eigene Messungen ergänzt. Zur theoretischen Beschreibung der Linienprofile interferierender autoionisierender Zustände wurde neben Fanoprofilen auch auf einen Ansatz aus der Kernphysik zurückgegriffen, den K-Matrix-Formalismus, und ein entsprechendes Simulationsprogramm eingesetzt. Anwendung auf ausgewählte spektrale Bereiche im Samarium und Gadolinium zeigt gute Reproduktion der Linienformen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus die Einsetzbarkeit von gepulsten Lasern für die Spurenanalyse untersucht und die Erreichbarkeit der notwendigen Spezifikationen für medizinische Fragestellungen demonstriert.

Entwicklung von Ionenquellen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz bei der resonanten Laserionisation

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklungen zur Optimierung von Selektivität und Effizienz von Resonanzionisations-Laserionenquellen vorgestellt. Mit der Perspektive auf die Anwendungen radioaktiver Ionenstrahlen in der Grundlagenforschung sowie auf Fragestellungen in der Ultraspurenanalytik wurden verschiedene Methoden entwickelt und erprobt: Auf Seiten der Grundlagenforschung wurden zwei komplementäre Ansätze, die Konstruktion von Ionenquellen aus Materialien niedriger Austrittsarbeit und die Weiterentwicklung der Laserionenquelle und -falle LIST umgesetzt. Hierdurch konnte die Selektivität der Resonanzionisation in on-line Tests um einige Gröÿenordnungen verbessert werden. Für die Ultraspurenanalytik wurden speziell angepasste, hocheffiziente Ionenquellen entwickelt. Mit diesen Ionenquellen wurde für die Resonanzionisation von Gallium eine Ionisationseffizienz von 67 % demonstriert, für den Ultraspurennachweis des im Zusammenhang der nuklearen Endlagerung wichtigen Radioisotops 99g-Technetium wurde auf dieser Grundlage eine Nachweisgrenze von weniger als 10^6 Atomen gezeigt.

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.