41-Calcium RIMS

Allgemeines

metallisches Calcium

Calcium (Ca) ist das fünft häufigste Element der Erde. Es besitzt sechs stabile Isotope, wobei Ca-40 mit fast 97% das dominierende Isotop darstellt. Interessant für den Ultraspurennachweis ist das quasistabile Isotop Ca-41. Es entsteht durch den Einfang kosmischer Neutronen in der Atmosphäre und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 1.03E+5 Jahre [Pau91]. Durch das Gleichgewicht aus Neubildung und Zerfall des Isotops Ca-41 kommt es in einem natürlichen relativen Isotopenverhältnis von etwa 1E-14 zu 1E-15 [Rai79] vor relativ zum Isotop Ca-40.

Zugehöriger Ausschnitt aus der Nuklidkarte

Da Ca-41 durch Elektroneneinfang (electron capture) unter Emission energetisch schwacher γ-Linien bei 421 keV zerfällt, ist dieses Isotop zusätzlich zu seiner langen Lebensdauer radiometrisch (d.h. durch den Nachweis seiner radioaktiven Zerfälle) nur schwer nachzuweisen. Daher geschieht der Ultraspurennachweis durch das direkte Zählen der Atome in einer zu untersuchenden Probe.

LARISSA Diodenlasersystem
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Für die Nachweismethode bedeutet dies, daß auf der einen Seite die anderen Calcium Isotope, insbesondere das Nachbarisotop Ca-40, als auch auf der anderen Seite für die Massenspektrometrie störende Isobare, wie in diesem Fall das stabile Kalium-Isotop K-41, ausreichend unterdrückt werden müssen.

Messverfahren

Anregungschema

Derzeit existieren drei physikalisch unterschiedliche Methoden, die sowohl eine ausreichend hohe Isotopenselektivität als auch Isobarenunterdrückung zum Nachweis von Ca-41 gewährleisten. Dies sind neben der Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) die etablierte Beschleuniger-Massenspektrometrie (accelerator mass spectrometry = AMS) [Fin90a] und der noch im Aufbau befindliche Atomfallen-Spurennachweis (atomic trap trace analysis = ATTA) [Che99].

Der experimentelle Aufbau des LARISSA Experimentes ist auf der Seite Methodik beschrieben. Für die effiziente Anregung mit Diodenlasern aus dem Grundzustand hat sich folgendes Schema als geeignet für Ca herausgestellt:
4s2 1S0 -> 4s4p 1P1 -> 4s4d 1D2 -> 4s15f 1F3. Die derart dreifach angeregten Ca-Atome werden anschließend mit einem CO2-Laser (Wellenlänge 10.6 μm) photoionisiert.

Anwendungen

für Ca-Haushalt
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Für Isotopenverhältnismessungen von Ca-41 ergibt sich eine ganze Reihe von interessanten Anwendungsmöglichkeiten.
So wird etwa in kerntechnischen Anlagen durch den hohen Neutronenfluß im Reaktor Ca-41 im umgebenden Betonschild gebildet. Beim Rückbau dieser Anlagen muß die dadurch hervorgerufene Strahlungsbelastung des Betons ermittelt werden; weiterhin ist eine Bestimmung des Gesamt-Neutronenflusses durch die Ca-41 Konzentration im Beton damit möglich [Mue01].
Zur Untersuchung des Calcium-Haushaltes im menschlichen Körper kann Ca-41 als untergrundsarmer und radioaktiv schwächster Tracer eingesetzt werden, um dadurch Aussagen zur Prävention oder Behandlung von Osteoporose treffen zu können. Im Rahmen dessen nehmen wir am OSTEODIET Project des 5th Framework Program der EU teil.
Auch für kosmophysikalische Fragestellungen ist Ca-41 eines der langlebigen Isotope, durch das Rückschlüsse auf Herkunft, terrestrisches Alter und ursprüngliche Form von Meteoriten gewonnen werden können [Fin90b].

Interessant ist auch der Einsatz von Ca-41 zur Altersdatierung analog zur etablierten C-14 Radiocarbonmethode. Der Vorteil des Ca-41 liegt dabei in der wesentlich längeren Halbwertszeit (104´000 a zu 5´730 a des C-14), die ein größeres Zeitfenster zur Altersdatierung zuließe bis zum Paläolithikum.

Hierzu ein informatives POSTER, gezeigt auf der LAP 2002 Konferenz.

Literaturliste

• [Che99] Chen, C.Y., Li, K.M., Bailey, K., O`Connor, T.P., Young, L., Lu, Z.-T.:
"Ultrasensitive Isotope Trace Analyses with a Magneto-Optical Trap"
Science 286, 1139 (1999)
• [Fin90a] Fink, D., Middleton, R., Klein, J. and Sharma, P.:
"41Ca: Measurement by Accelerator Mass Spectrometry and Applications"
Nucl. Instr. Meth. Phys. Rev. B 47, 79 (1990)
• [Fin90b] Fink, D., Klein, J. and Middleton, R.:
"41Ca: Past, present and future"
Nucl. Instr. Meth. Phys. Rev. B 52, 572 (1990)
• [Mue01] Müller, P., Bushaw, B. A. , Blaum, K., Diel, S., Geppert, Ch., Nähler, A., Trautmann, N. and Wendt, K.:
"41Ca ultratrace determination with isotopic selectivity > 1012 by diode-laser-based RIMS"
Fresenius J Anal Chem 370, 508 (2001)
• [Pau91] Paul, M., Ahmad, J. and Kutschera, W.:
"Half life of 41Ca"
Z. Phys. A 152, 249 (1991)
• [Rai79] Raisbeck, G. M. and Yiou, F.:
"Possible use of 41Ca for radioactive dating"
Nature 277, 42 (1979)