Prinzip RIMS

Prinzip

Zur Untersuchung seltenster Isotope, der sogenannten Ultraspurenanalyse, müssen die gesuchten Isotope mit großer Selektivität von den bis zu zwanzig Größenordnungen häufigeren Isotopen (siehe Einleitung) und anderen Elementen in der interessierenden Probe getrennt werden. Hierzu verwenden wir das Verfahren der Resonanzionisations-Massenspektrometrie, kurz RIMS. Dieses lässt sich in drei Schritte unterteilen. Diese sind die Atomisation der Probe, die resonante selektive Ionisation und die nachfolgende Massentrennung der Ionen.

Schema der RIMS - klicken f. große Version

1. Schritt: Atomisation

Bei der Atomisation wird die zu untersuchende Probe in einen Ofen eingebracht. Bei Temperaturen bis zu 2000 K wird die Probe thermisch aufgebrochen und verdampft. Auf Grund der Geometrie des Ofens entsteht dabei ein kollimierter Atomstrahl.

2. Schritt: resonante Ionisation

Das ausgeprägteste atomphysikalische Merkmal eines Elements sind die Energieniveaus der Atome. Soll nur ein Element selektiv angeregt werden, so müssen Photonen einer derart abgestimmten Wellenlänge eingestrahlt werden, dass ihr Energieübertrag genau der Differenz zweier charakteristischer Energieniveaus entspricht. Je schmaler die Energieverteilung, d.h. je schmaler die spektrale Verteilung des Lichtes ist, desto selektiver kann ein Atom angeregt werden. Weiterhin wird die Selektion erhöht, wenn zur Übereinstimmung mit der gesuchten Elementspezies mehrere selektive Auswahlschritte verwendet werden.
Wenn die spektrale Energieverteilung in den einzelnen Anregungsschritten schmaler ist als die Isotopieverschiebung der Isotope eines Elements, so kann sogar eine einzelne Isotopenspezies aus der Probe herauspräpariert werden. Nur die derart angeregten Atome können dann beispielsweise durch elektrische Felder oder mit langwelligen Infrarot-Photonen ionisiert werden. Durch dieses Verfahren erzeugt man selektiv Ionen, die sogenannten Resonanzionen oder auch Laserionen.

3. Schritt: Massenseparation

Um eine noch schärfere Selektion zu ermöglichen und die Resonanzionen von anders entstandenen Ionen, insbesondere eines unerwünschten Isotops zu unterscheiden, fokussiert man die Ionen mittels Ionenoptiken in einen Massenfilter, durch den nur Ionen einer einzigen Masse transmittiert werden. Diese erneut sortierten Ionen werden dann auf einem Detektor nachgewiesen und gezählt.

 

Realisierung

Die zu untersuchende Probe wird zumeist in saurer Lösung in einen Graphitofen eingebracht und bei bis zu 2000 K elektrothermisch erhitzt. Der kollimierte Atomstrahl wird dann mit dem Laserlicht dreier Laser senkrecht zur Hauptausbreitungsrichtung der Atome überlappt.

Mechanik eines Diodenlasers
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Zur selektiven Anregung der Atome verwenden wir sowohl drei selbstkonstruierte als auch kommerzielle Diodenlaser (Toptica DL 100). Diese werden gemeinsam mit einem Referenzlaser in ein Fabry-Perot-Interferometer eingekoppelt und die Transmissionspeaks der einzelnen Laser werden mittels der Technik des Fringe-Offset-Lockings miteinander verglichen. Die damit angestrebte Stabilität des Lasersystems beträgt ca. 5 MHz /h. Optional und je nach Element werden die gesuchten Isotope in einen autoionisierenden Zustand oder einen hochliegenden Rydbergzustand angeregt, von wo sie mit einem CO2-Laser bei einer Wellenlänge von 10.6 μm ins Kontinuum ionisiert werden.

Die Laserionen werden mit einer optimierten Ionenoptik in ein kommerzielles Quadrupolmassenfilter (ABB Extrel) fokussiert. Bei einer Oszillatorfrequenz von 2.9 MHz konnte eine Nachbarmassenunterdrückung von 1E+8 in Ca-41 in guter Übereinstimmung mit zuvor durchgeführten Simulationen demonstriert werden . Der Nachweis der transmittierten Ionen geschieht durch einen off-axis Channeltrondetektor.

Querschnittszeichnung durch den QMS - klicken für größere Version

Sowohl die spektrale Verstimmung und Stabilisierung der Laser, die Massenansteuerung des QMS als auch die Datenaufnahme und Darstellung geschehen über eine selbstentwickelte Software auf einem handelsüblichen PC.