Einleitung

Entwicklung und Einsatz der Resonanzionisation (RI) mit abstimmbaren Lasern und ihre Kombination mit massenspektrometrischen (MS) Techniken und dem Nachweis einzelner Ionen eröffnet ein breites Forschungsgebiet.

RIMS ermöglicht atomphysikalische und quantenoptische Untersuchungen für die Grundlagenforschung, die selektive Produktion von exotischen Ionen an Großforschungseinrichtungen wie dem CERN in Genf sowie die analytische Ultraspurenbestimmung von seltensten natürlichen oder anthropogenen Spezies. In allen diesen Fällen ist höchste Selektivität in Bezug auf die Unterdrückung von störenden Kontaminationen von Nachbarelementen oder -isotopen notwendig. Die hochgesteckten Spezifikationen erfordern ständige Forschung und Entwicklung sowohl auf der Seite der verwendeten Lasersysteme wie auch bei den massenspektrometrischen Techniken des Selektierens, Kühlens, Einfangens und der Detektion der Laserionen.

Aufgrund der Eindeutigkeit der optischen Spektrallinien eines Elements gewährleistet resonante optische Anregung von Atomen bis hin zur Ionisation höchste Selektivität in der Auswahl eines Elements und unterdrückt Nachbarelemente (Isobaren) vollständig. Spektral schmalbandige kontinuierliche Laserstrahlung kann darüber hinaus höchste Isotopenselektivität über Ausnutzung der Isotopieverschiebung sicherstellen. Die nachfolgende Massenseparation und Einzelionendetektion unterdrückt unspezifischen Untergrund und ist Voraussetzung für hohe Effizienz und niedrigste Nachweisgrenzen. Die Spezifikationen des Mainzer LARISSA (LAser Resonanz Ionisation für Spektroskopie in Selektiven Anwendungen) übertreffen konventionelle Techniken bei weitem.

Grundstein für die Entwicklung und ständige Verbesserung der RIMS Technik ist auf der einen Seite die Konzeption und der Aufbau der Laserlichtquellen, auf der anderen die Anpassung und Optimierung der Systeme der Massenspektrometrie und Ionenmanipulation. Zusätzlich werden umfangreiche spektroskopische Untersuchungen der optischen Anregungs- und Ionisationspfade des jeweils zu studierenden Elements benötigt. Die gleichzeitige Einstrahlung verschiedener Laserfelder und die Wechselwirkung der Atome und Ionen mit den elektrischen Feldern der Ionenoptik erfordert eine korrekte Beschreibung mit den Techniken der Quantenmechanik.

Prinzip

Zur Untersuchung seltenster Isotope 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.

 

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.

Schema der Resonanzionisation - klicken f. große Version

 

 

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

Der RISIKO Massenseparator - klicken f. große Version

Die zu untersuchende Probe wird zumeist in saurer Lösung in einen Graphit- oder Tantalofen eingebracht und bei bis zu 2000 K elektrothermisch erhitzt. Der kollimierte Atomstrahl wird dann mit dem Laserlicht dreier Laser überlappt. Zur selektiven Anregung der Atome verwenden wir selbstkonstruierte Titan:Saphir Laser. Optional und je nach Element werden die gesuchten Isotope in einen autoionisierenden Zustand oder einen hochliegenden Rydbergzustand angeregt, was die Ionisationseffizienz durch den vollständig resonanten Ionisationsprozess noch weiter erhöht.

In der LARISSA Gruppe werden Ti:Saphir Laser
speziell für die RIMS entwickelt
- klicken f. große Version -

Die Laserionen werden mit einer optimierten Ionenoptik in einen Dipolmagneten gelenkt und entsprechend ihres Masse-zuLadungsverhältnisses separiert. Der Nachweis der transmittierten Ionen geschieht durch einen Sekundärelektronenvervielfachwer oder einen Faraday Cup.

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