Determination of the isotopic composition of trace amounts of actinides in environmental micro-particles by Resonance Ionisation Mass Spectroscopy (RIMS) of sputtered neutrals (SN)
Final Report Abstract
Mikropartikel, die Actiniden enthalten, sind von speziellem Interesse für "Nuclear Safeguards" Analysen der IAEA und Euratom, zur Risikobewertung kontaminierter Gegenden, sowie für nukleare forensische Analysen. Ein Verfahren, welches sich in den letzten Jahren zur Routine-Methode für die Analyse solcher Partikel entwickelt hat, ist die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS). SIMS beruht auf dem Beschuß der Probe mit einem feinfokussierten Ionenstrahl und dem nachfolgenden massenspektrometrischen Nachweis der erzeugten Sekundärionen. Isobare Interferenzen (z.B. 238238241241U/Pu, Pu/Am) stellen jedoch ein Problem dar. Die Resonanzionisations-massenspektrometrie (RIMS), die für Bulk-Analysen im Ultraspurenbereich bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt wird, beruht auf der stufenweisen, resonanten Anregung und Ionisation von Atomen mit Laserlicht mit anschließendem massenspektrometrischem Nachweis der erzeugten Ionen. RIMS ist hoch-element- und isotopenselektiv und sehr nachweisstark. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein kommerzielles TOF-SIMS Gerät so umgebaut, dass es die Kopplung von Ionenstrahl-Sputtern mit einem hochreptierenden (kHz) durchstimmbaren Festkörperlasersystem zur Nachionisierung der gesputterten Neutralteilchen erlaubt. Ziel ist die Kombination von hoher Lateralauflösung durch Ionenstrahlsputtern mit RIMS, wodurch das Isobarenproblem eliminiert wird. Das Arbeitsprogramm im Projektzeitraum umfasste Aufbau und Charakterisierung des TOF-SIMS Systems, speziell im Hinblick auf Partikelanalytik, den Umbau der Apparatur zur Laser-Nachionisation sowie spektroskopische Untersuchungen. Das TOF-SIMS wurde erfolgreich zur ortsaufgelösten Analyse uran- und plutoniumhaltiger Partikel eingesetzt. Die erreichte Ortsauflösung liegt dabei bei ca. 1 μm. Die Modifikationen des Systems zur Laser-Nachionisation sind abgeschlossen und erste Messungen zur 3-stufigen resonanten Laser-Nachionisation von Gadolinium- und Plutoniumproben mit dem hochrepetierenden (6.6 kHz) Nd:YAG gepumpten Ti:Sa Lasersytem waren erfolgreich. Die Massenauflösung in dieser Betriebsart wurde anhand der Gd-Probe zu m/ΔmFWHM ≈ 600 abgeschätzt, was für die Bestimmung der Isotopenzusammensetzung von Plutoniumproben ausreichend ist. Da zur Resonanzionisation nur der Anteil an Sekundärteilchen verwendet werden kann, der in atomarer Form vorliegt, wurden an der K.U. Leuven, wo ein experimenteller Aufbau zur Laser-Nachionisation existiert, Experimente mit Uranpartikeln, stellvertretend für die Actiniden, durchgeführt, um durch Optimierung der Probenpräparation die atomare Ausbeute gegenüber den als Molekül gesputterten Spezies zu steigern. Mit einer Kombination aus Sputter-Cleaning und Aufheizen der Proben unter UHV konnte der atomare Anteil um mehr als einen Faktor 10 erhöht werden. Dieses Verfahren soll in Zukunft auch für plutoniumhaltige Proben angewendet werden. Weiterhin ist die Anwendung eines gekoppelten Verfahrens aus zerstörungsfreien Methoden (Spaltspuranalyse, Rasterelektronenmikroskopie und μ-NEXAFS) mit nachfolgender Analyse mittels RIMS gesputterter Neutralteilchen auf actinidenhaltige Mikropartikel in Umweltproben geplant.
Publications
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- Chicago, USA, International Conference on Laser Probing LAP 2004, 19. - 23.10. 2004: N. Erdmann, J.V. Kratz, N. Trautmann, J. Bastiaansen, P. Lievens, R. E. Silverans, F. Vervaecke, E. Vandeweert, "Resonance ionization mass spectrometry of uranium sputtered from uranium oxide particles"
- Darmstadt, Germany, DPG-Frühjahrstagung des Arbeitskreises AMOP, 10. - 14.03.2008: N. Erdmann, J.V. Kratz, K. Lützenkirchen, G. Passler, N. Trautmann, "Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) an ionengesputterten Neutralteilchen zur elementselektiven Analyse von Actiniden in Mikropartikeln"
- Frankfurt, Germany, DPG-Frühjahrstagung des Arbeitskreises AMOP, 13. - 17.03.2006: N. Erdmann, F.M. Engelberger, J.V. Kratz, N. Trautmann, T. Wunderlich, G. Passler, "Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur elementselektiven Spurenanalyse von Actiniden in Mikropartikeln"
- Heidelberg, Germany, DPG-Tagung des "Gemeinschaftsausschusses Strahlenforschung (GAST)" zusammen mit dem Fachverband Strahlen- und Medizinphysik zum Thema "20 Jahre wissenschaftliche Erkenntnisse nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl", 15. - 17.03.2006: N. Erdmann, J.V. Kratz, N. Trautmann, G. Huber, G. Passler, K, Wendt, "Isotopenselektive Ultraspurenanalyse von Actiniden mit Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS)"
- Kailua-Kona, Hawaii, USA, MARC VII ("Methods and appications of radioanalytical chemistry") Conference, 02. - 07.04.2006: N. Erdmann, J.V. Kratz, N. Trautmann, G. Passler, K. Wendt, "Resonance ionisation mass spectrometry (RIMS) for element- and isotope-selective trace analysis of actinides in environmental samples and micro-particles"
- Mainz, Germany, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS), 05. -08.03.2006: N. Erdmann, F.M. Engelberger, J.V. Kratz, N. Trautmann, T. Wunderlich, G. Passler, "Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur elementselektiven Spurenanalyse von Actiniden in Mikropartikeln"
- Manchester, UK, Actinides 2005, 03. - 08.07.2005: N. Erdmann, J.V. Kratz, N.Trautmann, G. Passler, M. Betti, P. Lievens, R.E. Silverans, E. Vandeweert, "Resonance ionization mass spectrometry for element- and isotope-selective trace analysis of actinides in environmental micro-particles"
- N. Erdmann, J.V. Kratz, N. Trautmann, G. Passler, M. Betti, P. Lievens, R.E. Silverans, E. Vandeweert, "Resonance ionization mass spectrometry for element- and isotope-selective trace analysis of actinides in environmental micro-particles" in: Recent Advances in Actinide Science, ACTINIDES 2005 conference proceedings (R. Alvarez, N.D. Bryan, I. May eds.), RSC Publishing, Special Publication No. 305, ISBN-13: 978-0-85404-678-2, 122-124 (2006)
- T. Berg, J. Maul, N. Erdmann, P. Bernhard, S. Schuppler, P. Nagel, C. Sudek, U. Ott, G. Schönhense, "Coupling of imaging NEXAFS with secondary ion mass spectrometry for the chemical and isotopic analysis of presolar cosmic grains" Anal. Bioanal. Chem. 386, 119-124 (2006).
