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. Das Verfahren ergänzt bzw. konkurriert als Table-Top Aufbau mit der bekannten aber äußerst aufwändigen Beschleunigermassenspektrometrie.

Das Interesse an der Ultraspurenbestimmung seltenster Isotope natürlichen Ursprungs ist sehr vielfältig. Abbildung 1 zeigt eine Zusammenstellung langlebiger und stabiler Isotope mit relativen Häufigkeiten von weniger als 1E-9 im Vergleich zu stabilen Nachbarisotopen wobei über das verwendete Symbol die Produktionsprozesse angegeben sind. Viele dieser Spezies stellen empfindliche Proben für geochemische und umweltrelevante Untersuchungen der Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre bis hin zur Technosphäre dar. Eine Unmenge an Informationen steckt in ihrer Produktionsmechanismen, den Transportvorgängen und ihren Zerfallskanälen, die zusammen für ihre Seltenheit auf der Erde verantwortlich sind. Weiterführende Aspekte betreffen Kosmochemische und Astrophysikalische Untersuchungen an Extraterrestrischem Material, sowie Studien aus den Bereichen der Kern- und Teilchenphysik. Mit künstlich angereicherten Proben können vielfältige Untersuchungen im ernährungswissenschaftlichen und bio-medizinischen Bereich sowie in der Materialwissenschaften durchgeführt werden. Für alle diese Studien sind höchste Spezifikationen bezüglich der Selektivität von weit über 1E+9 und der Nachweiseffizienz von größer als 1E-3 Voraussetzung.

Abbildung 1: Langlebige und stabile Ultraspurenisotope auf der Erde

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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.