Universität Wien: Verbesserungen in den Größenordnungen bei der Radioisotopenanalyse

Die Herausforderung

Viele Bereiche der Umweltwissenschaften, der Geologie, der Astrophysik (Meteoriten), der Archäologie und anderer Gebiete sind auf die Verwendung langlebiger Radioisotope – radioaktiver Nuklide mit langen Halbwertszeiten – angewiesen, um das Alter der Probe, ihre Herkunft und andere historische Spuren zu bestimmen. Der Wert, der hier zählt, ist das Isotopenverhältnis: die Konzentration des Radioisotops im Vergleich zu den stabilen Isotopen desselben Elements. Das bekannteste ist natürlich Kohlenstoff-14 (¹⁴C), das bei der „Kohlenstoffdatierung” weit verbreitet ist. Leider sind diese nützlichen radioaktiven Marker in der Regel nur in extrem geringen Konzentrationen vorhanden. Die empfindlichste Methode zur Messung ihrer ultraniedrigen Konzentrationen ist die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS), die manchmal eine attomolare Empfindlichkeit erreichen kann. Im Vergleich zu alternativen Methoden, die auf Strahlungsdetektion beruhen, werden nur Milligramm der Probe benötigt. Eine wesentliche Einschränkung von AMS ist jedoch das Vorhandensein von unerwünschten Isobaren, die das Signal einiger Zielnuklide vollständig überdecken können.

AMS ist ein mehrstufiger Prozess zur Erzeugung eines beschleunigten (bis zu mehreren MeV) Strahls von zunächst negativ und dann positiv geladenen Ionen, die durch Ablenkung mittels starker Magnetfelder mehrfach getrennt werden, wobei die Ablenkung vom Masse/Ladungs-Verhältnis (m/q) abhängt. Vor der Beschleunigung wird die Probe zunächst beschossen, um einen Strahl negativer Ionen (Anionen) zu erzeugen, die nach der m/q-Analyse in den Beschleuniger injiziert werden, wo sie in einem so genannten Stripper in positive Ionen (Kationen) umgewandelt werden, der auch kleine Molekülionen eliminiert, die das gleiche m/q-Verhältnis wie das Zielnuklid haben könnten, z.B., ¹⁴C- und ¹²CH₂-. Die Kationen werden dann weiter beschleunigt und erneut nach ihrem m/q-Verhältnis sortiert. Aber bei vielen Radioisotopen gibt es immer noch das Problem der Isobaren: Isotope verschiedener Elemente mit der gleichen ungefähren Masse, die die Anzahl der interessierenden Radioisotope (z.B., ¹³⁵Cs und die Isobare ¹³⁵Ba) um mehrere Größenordnungen übertreffen können. Der einzige konventionelle Weg, das Isobarenproblem zu lösen, war die Verwendung einer extrem hohen (>10 MV) Spannungsbeschleunigung, um die Ionen auf der Grundlage ihrer winzigen Kernladungsdetails zu sortieren. Dies beschränkte die Messmöglichkeiten auf einige wenige Einrichtungen auf der ganzen Welt und eine Handvoll Radioisotope.

Glücklicherweise hat ein Team um Dr. Martin Martschini von der Fakultät für Physik der Universität Wien eine elegante und leistungsstarke Alternative entwickelt, die auf dem geschickten Einsatz von Lasern zur Durchführung von AMS in Verbindung mit selektiver Photodetachment basiert.  

Die Lösung

Ihr AMS-System wird Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) genannt. Der Schlüssel zur effektiven Eliminierung von Isobar-Hintergrundsignalen in VERA ist die kürzlich entwickelte Ionenlaser-Interaktions-Massenspektrometrie (ILIAMS). Dies ist ein neuartiger elementselektiver Filter und das weltweit erste Gerät seiner Art, das an eine AMS-Anlage gekoppelt ist.

ILIAMS ist auf der Anionenstufe (dem „Niedrigenergie-Massenspektrometer”) implementiert und funktioniert durch Schwellenwert-Photodetachment. Martschini erklärt: „Molekulare und atomare Anionen haben alle eine Schwellenphotonenenergie für die Abtrennung des zusätzlichen Elektrons. Die Absorption von Photonen oberhalb dieser Energie führt zum Auswurf eines Elektrons, d.h. zur Neutralisierung des Anions. Für jedes Radionuklid von Interesse gestalten wir die chemische Vorbereitung der Probe sorgfältig so, dass das Anion, das das Radionuklid enthält, einen höheren Schwellenwert für diese Ionisierung aufweist als das Anion bzw. die Anionen der Problem-Isobar. Wir wählen dann eine Laserwellenlänge mit einer Photonenenergie, die über dem Schwellenwert für die Isobaren-Ionen, aber unter dem für das Zielradionuklid liegt.” Der Laser eliminiert somit problematische Isobaren aus dem Ionenstrahl vor dem Stripper und der Beschleunigungsstufe. Theoretisch benötigen Sie nur einen Laser, der sich im entsprechenden Wellenlängenfenster (Photonenenergie) befindet. Um VERA in die Lage zu versetzen, Forschung zu betreiben und Messdienste auf der Grundlage verschiedener Radioisotope und ihrer Isobar-Hintergründe anzubieten, ist also ein Portfolio verschiedener Laserwellenlängen erforderlich.

Die Anforderungen an den Laser gehen jedoch über die Anpassung an ein relativ breites Wellenlängenfenster hinaus. Denn eine Herausforderung bei ILIAMS ist der geringe Wirkungsquerschnitt (Wahrscheinlichkeit) für die Laserabsorption und den Photodetachment-Mechanismus. Martschini erklärt: „Um dem entgegenzuwirken, benötigen wir eine hohe Laserintensität und eine Verlängerung der Laser-Anionen-Interaktionszeit auf eine Millisekunde oder mehr.” Letzteres erreichen sie, indem sie den Anionenstrahl durch einen Hochfrequenz-Ionenleiter leiten, der mit einem inerten Puffergas (typischerweise He) gefüllt ist. Dadurch werden die Anionen fast bis auf thermische Energien abgebremst. Der Ionenleiter ist 1 Meter lang. Wenn der Laserstrahl genau kolinear mit dem Anionenstrahl in diesem Ionenleiter ist, dann beträgt die Laser/Ionen-Wechselwirkungszeit etwa 1 ms, was eine effektive Isobar-Eliminierung ermöglicht.

Zwei der Laser bei VERA sind der Coherent AVIA LX bei 355 nm und der Verdi 18 mit bis zu 20 Watt bei 532 nm. Martschini erklärt: „Wir haben uns aus mehreren Gründen für diese Laser entschieden. Erstens bieten sie die nötige Leistung, damit ILIAMS sehr effektiv sein kann. Zweitens haben sie kreisförmige TEM₀₀ Ausgangsstrahlen mit M² die ziemlich nahe an 1,0 liegen. Diese hohe Strahlqualität ist für unsere Technik von entscheidender Bedeutung, da wir den Strahl durch 3 mm große Blenden an jedem Ende des 1 Meter langen Ionenleiter-Strahlengangs ausrichten müssen, der sich 3 Meter stromabwärts vom Eintrittsfenster in das Vakuumsystem und der letzten optischen Linse oder dem letzten Spiegel befindet. Und schließlich sind sie sehr zuverlässig. Jeder Datenlauf dauert 1–6 Stunden. In der Regel planen wir jedoch eine Woche mit Experimenten, die auf das gleiche Isotop und das gleiche Isobar ausgerichtet sind. Wir brauchen jedes Mal, wenn wir die Wellenlänge des Lasers planen, eine perfekte Laserleistung für die gesamte Woche, sonst bekommen wir große Probleme bei der Planung.”

Das Ergebnis

Als ILIAMS zum ersten Mal entwickelt wurde, hoffte das Team, dass es in der Lage sein würde, Isobarenhintergründe um 6–8 Größenordnungen zu entfernen, aber es hat sich gezeigt, dass es für einige Isobaren sogar besser ist als dieses hochgesteckte Ziel. Martschini weiter: „Ein herausragendes Beispiel ist die Trennung von Schwefel und Chlor, bei der wir in der Lage sind, ³⁶S im Vergleich zu ³⁶Cl um unglaubliche 11 Größenordnungen zu unterdrücken, indem wir den 532 nm Ausgang des Verdi-Lasers verwenden.”

Martschini fasst zusammen, dass dank ILIAMS immer mehr neue Spurenisotope in der Umwelt erstmals für AMS zugänglich geworden sind. Zu den jüngsten Ergänzungen gehört das langlebige Spaltprodukt ⁹⁰Sr (höchste Empfindlichkeit aller Nachweismethoden weltweit). Andere großartige Beispiele, die er anführt, sind die Cäsium-Radioisotope ¹³⁵Cs und ¹³⁷Cs, die beide zuvor notorisch schwierige Ziele waren. Insbesondere war es mit herkömmlicher AMS fast unmöglich, ¹³⁵Cs- und ¹³⁷Cs-Ionen aus einigen Umweltproben wie Meerwasser zu zählen, da Barium-Isotope mit der gleichen Nennmasse millionenfach (oder mehr) vorkommen können. Dabei handelt es sich jedoch um umweltrelevante Radioisotope, die aufgrund von Atomtests in den 1950er und 1960er Jahren und in jüngerer Zeit aufgrund der Nuklearkatastrophe von Fukushima im Meer und in Fischen vorhanden sind. Glücklicherweise ist ihre Messung dank ILIAMS jetzt auch im Ultraspurenbereich relativ einfach möglich.

Unterdessen geht die Suche nach Protokollen und Wellenlängen für andere Radioisotope bei VERA unvermindert weiter. Mit Blick auf die Zukunft erklärt Martschini, dass das ILIAMS-Team derzeit hart daran arbeitet, das astrophysikalisch interessante ¹⁸²Hf hinzuzufügen. 

Laser werden seit langem für analytische Zwecke eingesetzt – um Proben nach ihrer Zusammensetzung, Phase, Temperatur usw. zu untersuchen. Aber die innovative ILIAMS-Methode ermöglicht es Wissenschaftlern der Universität Wien und ihren Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen auf der ganzen Welt, mit Hilfe von Lasern die detaillierte Geschichte aller Arten von Proben zu untersuchen, wie es noch nie zuvor möglich war. 

Weitere Erfolgsgeschichten anzeigen