Determination of 236U in environmental samples by high resolution resonance ionization mass spectrometry
Final Report Abstract
Zum Abschluss der zweiten Förderperiode des Projekts können eine Reihe von neuen Erkenntnisse bezüglich der Anwendungsmöglichkeiten der hochauflösenden Resonanzionisationsmassenspektrometrie (HR-RIMS) für die isotopen-selektive Ultraspurenbestimmung von 236Uran vorgestellt werden. (1) Die Neukonzeption und Umsetzung eines rein auf Diodenlasern basierenden Lasersystems für die dreistufige Resonanzionisation am Uran wurde zukunftssicher durchgeführt. Eine zuverlässige Frequenzkontrolltechnik für analytische Anwendungen, sowohl hohe Stabilität als auch schnelle Isotopensprünge zulassend, hat seine Leistungsfähigkeit bewiesen und erstmals analytische Reihenmessungen an synthetischen Proben ermöglicht. (2) Trotz erhebliche Anstrengungen bei der Entwicklung einer effizienten Atomstrahlquelle konnte nur eine begrenzte Gesamteffizienz von 7(1 )• 10^-7 für die HR-RIMS am Uran erzielt werden. Diese ist um nahezu einen Faktor 100 niedriger als Werte, die etwa beim Element Calcium mit gleicher Technologie gezeigt werden konnte. Als Ursache wurde gleichermaßen das ungünstige Atomisationsverhalten wie auch das komplexe Anregungsschema des Uran ausgiebig untersucht. (3) Die erreichbare Isotopenselektivität wird von der Effizienz begrenzt; ein Selektivitätslimit von 8,7-10^-9 für das Isotopenverhältnis 236U/238U wurde demonstriert. (4) Aus den präsentierten Daten bzgl. Effizienz, Untergrund und maximaler Messzeit von etwa 1 Stunde kann eine Nachweisgrenze (LOD) für das Isotop 236U von 310^9 Atomen pro Probe, entsprechend ~1pg, für Isotopenverhältnisse bis hinab zum benannten Limit von 236U/238U ≥ 8,7-10^9 extrahiert werden. (5) Eine direkte Ankopplungsmöglichkeit für Speziationsverfahren wurde vorbereitet. Als aussichtsreichster Ansatz zur Effizienzsteigerung wird darüber hinaus der aktive Eingriff in die Atomstrahlformung mittels eines Inertgasstroms und differentiellen Pumpstufen angesehen. Die zugrundeliegende Technologie wird seit Jahren erfolgreich bei der Gaszellen-Laserionisationsquellen von on-line Massenseparatoren z.B. in Leuven, Belgien sowie in Jyväskylä, Finnland in Kollaboration mit meiner Arbeitsgruppe eingesetzt und wird aktuell als Zukunftstechnologie für GSI, Darmstadt, TRIGA-SPEC, Mainz und SPIRAL2, Frankreich weiterentwickelt. Die Adaption dieses Verfahrens zur isotopenselektiven Ultraspurenanalytik am Uran (und ggf. anderen Radioisotopen) ließe sich mit einer Gaszellen/Gasjetquelle mit implementiertem Filamentprobenträger bewerkstelligen, auf das die Probe elektrolytisch abgeschieden, mit einem Reduktionsmetall besputtert wird und thermisch bzw. alternativ per Laserablation in den Gasstrom überführt wird. (6) Atomphysikalisch und analytisch relevante Daten zur Isotopieverschiebung der Isotope 233,234,235,236U relativ zu 238U sowie zu den Hyperfeinstrukturen im 233,235U wurden aufgenommen, großteils erstmalig. Der Aufwand für die Entwicklung und Implementierung einer kombinierten Filamentquelle mit Gasjet-Transport ist nur im Rahmen eines eigenständigen Projektes zu bewältigen. Aufbauend auf den hier vorgestellten Resultaten sowie unseren Zusammenarbeiten mit den vorgenannten Instituten, wird aktuell ein Antrag vorbereitet. Bis dahin möchten wir die aufgebaute Apparatur zur HR-RIMS für weiterführende spektroskopische Untersuchungen im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten einsetzen. Dies stellt die Voraussetzung für die Weiterentwicklung des Verfahrens sowohl auf Seiten der laserbasierten Ultraspurenbestimmung von Radioisotopen als auch des Grundlagen-orientierten Studiums exotischer Nuklide dar.
Publications
- High-resolution triple-resonance autoionization of uranium isotopes, Spectrochimica Acta Part B, 60 1402-1411 (2005)
P.G. Schumann, K.D.A. Wendt, B.A. Bushaw
- Triple-resonance autoionization of uranium optimized for diode laser excitation, Spectrochimica Acta Part B 62, 485–491(2007)
B. A. Bushaw, S. Raeder, S. L. Ziegler, K. Wendt
- Selective Isotope Determination of Uranium using HR-RIMS AIP Conference Proceedings CPI 104, 96-104, (2009)
S. Raeder, S. Fies, H. Tomita and K.D.A Wendt
- In-source resonance ionization spectroscopy of high lying energy levels in atomic uran. Hyperfine Interactions 196, 71-79 (2010)
S. Raeder, S. Fies, T. Gottwald, C. Mattolat, S. Rothe, K. Wendt
(See online at https://doi.org/10.1007/s10751-010-0160-0) - High Resolution-Resonance Ionization Spectroscopy on Uranium, Hyperfine Interactions (2012)
A. Hakimi, T. Fischbach, S. Raeder, N. Trautmann, K. Wendt
(See online at https://doi.org/10.1007/s10751-012-0736-y)
