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Dr. Axel Renno
Group Leader Ion Beam Analysis 
Phone: +49 351 260 - 3274

Bachelor-, Master-, Diplom- oder Doktorarbeiten in der Ionenstrahlanalytik

Die Ionenstrahlanalytik (ion beam analysis = IBA) nutzt hochenergetische Ionen zur Material- und Strukturanalyse. Einige dieser IBA-Techniken, wie die sog. Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (Rutherford Backscattering Spectrometry = RBS), basieren auf Experimenten, die schon 1909 von Ernest Rutherford durchgeführt wurden. Die etablierten Techniken haben sich aber den interdisziplinären Anforderungen entsprechend stetig weiterentwickelt, so dass heute z.B. tiefenaufgelöste Elementanalysen im Subnanometerbereich möglich sind.

Neuere IBA-Techniken, wie die Beschleunigermassenspektrometrie (accelerator mass spectrometry = AMS), ergänzen seit 2009 unser Portfolio an hochentwickelten Analysetechniken, so dass Ultraspurenanalytik nunmehr am HZDR möglich ist.

Ein weiterer neuer Forschungsschwerpunkt ist die Ressourcenanalytik in Kooperation mit dem in 2011 gegründeten Helmholtz-Institut für Ressourcentechnologie (HIF).

Der überwiegende Teil unserer Forschungsprojekte wird in nationalen und internationalen Kooperation mit Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen (z.B. über das EU-Projekt SPIRIT gefördert) durchgeführt.

Zur Unterstützung unserer aktuellen Neu- und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der IBA suchen wir Studenten, die ihre Bachelor-, Master-, Diplom- oder Doktorarbeit (2-36 Monate) u.a. in den Fachgebieten Physik, Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Materialwissenschaften und Maschinenbau durchführen wollen und insbesondere Interesse an experimenteller Arbeit haben.

Zur Zeit beschäftigen wir uns intensiv mit den folgenden Themen:

  • Optimierung der µ-Sonde inkl. Fokussierungsmethoden und Neuinstallation für die PIGE-Analyse von Fluor
    Im Gegensatz zur Analyse von Metallen, ist die chemische Analyse von leichten Elemente wie Fluor schwierig. Die einzige Methode, die ohne Verwendung von Referenzmaterialien auskommt, ist die Teichen-induzierte Gamma-Emission (PIGE). Diese Methode soll für die ortsaufgelöste (~ 1 µm) Analytik an der µ-Sonde entwickelt werden.
  • AMS-Applikationsentwicklungen mit den Schwerpunkten Klimaforschung, Geomorphologie, Hydrogeologie und Risikoanalyse
    In Kooperation mit unseren Partnern (diverse Universitäten, Alfred-Wegener-Institut...) präparieren wir routinemäßig AMS-Targets aus den unterschiedlichsten Matrices (Kalkstein, Quarz, Eis). Jede neue Matrix erfordert allerdings eine komplette Neuentwicklung der Probenpräparation. Die Arbeit erfordert sehr akkurates chemisches Arbeiten, da etwa 2 Millionen Atome aus Probenmengen von etwa 100 g separiert werden müssen.
  • Entwicklung einer Reduktions- und Hydrierungsapparatur zur Ca-Targetpräparation für die 41Ca-Bestimmung mittels AMS
    Die Bestimmung von 41Ca mittels AMS ist aufgrund des störenden 41K-Isobars sehr schwierig. Durch die Verwendung von CaH2-Targets anstelle von CaF2-Targets kann der 41K-Untergrund um mind. eine Größenordnung unterdrückt werden, so dass 41Ca-Messungen in natürlichen Proben möglich sind. Die Präparation von CaH2-Proben ist wegen ihrer Instabilität sehr anspruchsvoll und kann nur in speziell entwickelten Hochtemperatur- und Inertgasanlagen erfolgen. Die Entwicklung und der Aufbau solch eine Anlage soll im Rahmen einer Forschungsarbeit erfolgen.
  • Ionenquellenentwicklung  zur Ionenstromerhöhung und Minimierung von Kreuzkontaminationen und Memory-Effekten für hochpräzise und empfindliche AMS-Messungen
    Der Erfolg der AMS hängt vor allen Dingen von der eingesetzten Ionenquelle ab. Zwei grundsätzliche Probleme sind hier zu bekämpfen: 1.) Bei leichtflüchtigen Elemente wie Chlor oder Iod, kann es in der Ionenquelle zu sog. Kreuzkontaminationen kommen, d.h. es die Messungen der vorhergehenden Proben beeinflussen die aktuelle Messung. Dieser Effekt soll durch eine Ionenquellenneuentwicklung minimiert werden. 2.) Nicht alle Elemente bilden mit großer Wahrscheinlichkeit negative (Molekül-)Ionen, die für die AMS benötigt werden. Insbesondere für 41Ca- und 26Al-Messungen, wäre es wünschenswert, den negativen Ionenoutput (CaF3- bzw. AlO-), und damit die Statistik für die korrespondierenden Radionuklide zu erhöhen. Hierfür muss eine zweite Ionenquelle entwickelt werden.

Falls wir Ihr Interesse geweckt haben und Sie mit uns in der Forschung arbeiten möchten, kontaktieren Sie bitte Silke Merchel.

Für die folgenden Forschungsthemen der Ressourcenanalytik kontaktieren Sie bitte direkt Axel Renno.

  • Ortsaufgelöster Nachweis von Silber in natürlichen Feldspatmineralen und Gläsern mit Feldspatzusammensetzung mittels teilcheninduzierter Röntgenemission (PIXE) - Ermittlung der Nachweisgrenzen
    Der Einbau von Silber als Ag+ in Phasen mit Feldspatstruktur und in Gläser mit Feldspatzusammensetzung wird aufgrund der ähnlichen kristallchemischen Eigenschaften des Ag+-Ions und der verschiedenen Alkaliionen (Me+) begünstigt. Im Rahmen der Bachelorarbeit soll eine auf die Feldspatmatrix bezogene Methodik für die drei am Ionenstrahlzentrum genutzten PIXE-Methoden erarbeitet und die entsprechenden Nachweisgrenzen bestimmt werden.
  • Optimierung der ionenoptischen Bauteile einer Ionenquelle für den Einsatz in einer Super-SIMS
    Messungen mit einer beschleunigergekoppelten SIMS, sogenannte Super-SIMS, ermöglichen um mehrere Größenordnungen bessere Nachweisgrenzen als in normalen SIMS-Geräten. Dies stellt aber extreme Anforderungen an die „Sauberkeit“ der ionenoptischen Bauteile der Ionenquelle, um Kontaminationen auszuschließen. Im Rahmen der Arbeit sollen verschiedene Methoden der Optimierung gesucht und getestet werden.
  • Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von dünnen Si-Schichten auf polierten Mineraloberflächen im Mikrobereich
    Die meisten natürlich vorkommenden Minerale sind Isolatoren. Für analytische Untersuchungen im Mikrometerbereich mittels SIMS und Elektronenstrahlmikrosonde müssen die Oberflächen der Minerale elektrisch leitfähig sein. Häufig werden dafür dünne Schichten von Gold oder Graphit genutzt. Die Eignung von undotiertem und dotiertem Si für diesen Zweck soll durch Messungen der elektrischen Leitfähigkeit im Mikrobereich getestet werden.
  • Analyse der Parameter bekannter technischer Lösungen von Ionisationskammerdetektoren für die Analyse von Ionenströmen
    Für die Bestimmung starker Ionenströme im Super-SIMS Betrieb müssen verschiedene Ionisationskammern eingesetzt werden. Im Rahmen einer Literaturstudie sollen Aufbau, spezielle Funktionsweisen, Kennwerte und weitere technische Besonderheiten bekannter technischer Lösungen für Ionisationskammerdetektoren zusammengestellt und bewertet werden. Anhand dieser Daten sollen Vorschläge für den Einsatz speziell konstruierter Ionisationskammern für die Analyse typischer, für die Ressourcenanalytik relevanter, Matrices erarbeitet werden. Diese Vorschläge müssen mit ersten Konstruktionsideen und Kostenabschätzungen verbunden werden.