RIMS



Ultraspurenanalyse langlebiger Radionuklidkontaminationen mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS)


Grundlagen:

Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) wird zum Nachweis kleinster Mengen langlebiger Radionuklide in unterschiedlichen Proben eingesetzt. Mit RIMS ist es möglich, noch etwa 106 Atome (0,4 fg) Plutonium zu detektieren. Nachweismethoden für Neptunium und Technetium mittels RIMS befinden sich aktuell in der Entwicklung.
Das Prinzip der RIMS beruht auf einer mehrstufigen, resonanten Anregung und Ionisation von Atomen durch Laserstrahlung und deren anschließendem massenspektrometrischen Nachweis. Da die Lage der hierbei genutzten Energieniveaus spezifisch für das jeweilig betrachtete Element ist, verläuft der Ionisationsprozess elementselektiv. Dadurch wird ein hochempfindlicher und selektiver Nachweis auch in schwierigen Matrices möglich, z.B. von 239Pu neben Uran.

 




Abb. 1: Anregungs- und Ionisationsschema für 239Pu. Im letzten Schritt wird ein Rydberg-Zustand knapp unterhalb des Ionisationspotentials (ca. 48601 cm-1) bevölkert. Durch die angelegte Beschleunigungsspannung des TOF-MS kommt es zur Feldionisation.


Lasersystem:

Zur Erzeugung geeigneter Laserstrahlung verwenden wir ein Nd:YAG-gepumptes System aus drei Titan-Saphir-Lasern (Ti:Sa). Alle Laser sind mit Lyot-Filtern und Etalons zur Wellenlängenselektion ausgestattet; Pockels-Zellen werden zur zeitlichen Synchronisation eingesetzt. Wenn es der jeweilige resonante Anregungsschritt erfordert, ist eine Frequenzverdoppelung der Laserstrahlung möglich. Zur kontinuierlichen Kontrolle der eingestellten Wellenlängen steht ein Wavemeter zur Verfügung.




Abb. 2: Lasersystem in Betrieb mit Nd:YAG Pumplaser (grün) und Frequenzverdopplung eines Ti:Sa rot -> blau.





 

Abb. 3: Aufbau RIMS mit Lasersystem, Atomstrahlquelle und Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS)


Atomstrahlquelle und Massenspektrometer:

Proben für RIMS werden, ggf. nach chemischer Aufbereitung, elektrolytisch auf einen Tantalstreifen abgeschieden. Zur Reduktion der abgeschiedenen Schwermetallhydroxide wird in einer Sputteranlage eine etwa 1 µm dicke Titanschicht aufgebracht. Durch Widerstandsheizen in einer Atomstrahlquelle werden Probenatome von diesem Sandwich-Filament abgedampft. Der so erzeugte Atomstrahl wird mit den Laserstrahlen überlagert; es kommt zur Ionisation. Die Ionen werden dann nach einer Massenauftrennung in einem Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS)  mit einer Kanalplatteneinheit detektiert.


Anwendung der RIMS:

Im Rahmen eines Kooperationsvertrages mit dem Ministerium für Umwelt, Forsten und Verbraucherschutz Rheinland-Pfalz führt das Institut für Kernchemie jährlich RIMS-Messungen zur Bestimmung des Gehalts und der Isotopenzusammensetzung von Plutonium in festen oder flüssigen Proben durch.
Weiterhin wurde mit dem hier verwendeten System eine Bestimmung der Isotopenzusammensetzung und des Plutoniumsgehalts in Uranmunition, welche im Balkankonflikt verschossen wurde, durchgeführt.



Literatur:

S. Raeder, N. Stöbener, T. Gottwald, G. Passler, T. Reich, N. Trautmann, K. Wendt, Determination of a three-step excitation and ionization scheme for resonance ionization and ultratrace analysis of Np-237, Spectrochim. Acta B, accepted 

K. Wendt, N. Trautmann, Recent developments in isotope ratio measurements by resonance ionization mass spectrometry, Int. J. Mass Spectrom., Isotope Ratio Measurements SI, 2005, 242, 161-168
[http://dx.doi.org/10.1016/j.ijms.2004.11.008]

N. Trautmann, G. Passler, K. Wendt, Ultratrace analysis and isotope ratio measurements of long-lived radioisotopes by resonance ionization mass spectrometry (RIMS), Anal. Bioanal. Chem., 2004, 378, 348-355
[http://dx.doi.org/10.1007/s00216-003-2183-8] 

C. Grüning, G. Huber, P. Klopp, J.V. Kratz, P. Kunz, G. Passler, N. Trautmann, A. Waldek,
K. Wendt, Resonance ionization mass spectrometry for ultratrace analysis of plutonium with
a new solid state laser system, Int. J. Mass Spectrom., 2004, 235, 171-178
[http://dx.doi.org/10.1016/j.ijms.2004.04.013]
S. Köhler, R. Deißenberger, K. Eberhardt, N. Erdmann, G. Herrmann, G. Huber, J.V. Kratz,
M. Nunnemann, G. Passler, P.M. Rao, J. Riegel, N. Trautmann, K. Wendt,
Determination of the first ionization potential of actinide elements by resonance ionization mass spectroscopy, Spectrochim. Acta B, 1997, 52, 6, 717-726 
[http://dx.doi.org/10.1016/S0584-8547(96)01670-9]
S. Bürger, R. Buda, H. Geckeis, G. Huber, J.V. Kratz, P. Kunz, C. von Gostomski, G. Passler,
A. Remmert, N. Trautmann, Isotope selective ultratrace analysis of plutonium by resonance ionisation mass spectrometry, Radioactivity in the Environment, 2006, 8, 581-591
[http://dx.doi.org/10.1016/S1569-4860(05)08046-0]