Höchstsensitiver Nachweis von Radionukliden mit der Dresdner AMS (DREAMS)

Beschleunigermassenspektrometrie (AMS, accelerator mass spectrometry) ist eine höchstsensitive Methode, um langlebige Radionuklide mit einer Halbwertszeit von 100 Jahren und länger zu messen. Der Aufbau der AMS-Anlage DREAMS (DREsden AMS), die seit August 2011 in Betrieb ist, ist in Abbildung 1 dargestellt.
Aus der zu analysierenden – bereits chemisch aufbereiteten – Probe werden in einer Cäsium-Sputterionenquelle negative Ionen (Moleküle oder Elemente) extrahiert. Diese einfach negativ geladenen Ionen werden in einem Niederenergie-Massenspektrometer nach ihrer Energie und Masse analysiert und gelangen nachfolgend in den Tandem-Beschleuniger, wo sie durch eine positive Hochspannung (im Bereich von MV) beschleunigt werden. Beim Durchgang durch Argon-Gas werden den Ionen Elektronen abgestreift, dadurch Moleküle zerstört, und die nun positiven Ionen ein zweites Mal beschleunigt. Im Hochenergie-Massenspektrometer werden die Radionuklide dann mit einem geeigneten Detektionssystem identifiziert. Mit diesem Aufbau lassen sich Isobare effizient, sowie molekularer Untergrund vollständig unterdrücken.
Momentan werden an DREAMS Routinemessungen der Nuklide ¹⁰Be, ²⁶Al und ⁴¹Ca durchgeführt [1]. Die Nachweisgrenze liegt im Bereich von 10^-15 – 10^-16 Radionuklid zu stabilem Nuklid, was Aktivitäten im Bereich von nBq entspricht. Zu Messungen volatiler Elemente wie Chlor (³⁶Cl) siehe [2].
DREAMS wird um eine Flugzeitstrecke (time-of-flight (TOF)) erweitert, um schwere Nuklide wie Aktinide messen zu können. Neben der vollständigen Molekülunterdrückung und dem geringeren Präparationsaufwand von Proben liegt der Vorteil der AMS darin, Isotope wie ²³⁹Pu und ²⁴⁰Pu unterscheiden zu können, was mittels Alphaspektrometrie nicht möglich ist.
Durch den Anbau einer kommerziellen SIMS (SIMS = Secondary ion mass spectrometry) Anlage an den Beschleuniger wird DREAMS zu einer Super-SIMS erweitert. Damit sollen Verhältnisse stabiler Elemente im Bereich von 10^-9-10^-12 unter Beibehaltung der Ortsauflösung einer SIMS-Anlage gemessen werden.
[1] S. Akhmadaliev et al., Nucl. Instr. Meth. B 294 (2013) 5.
[2] S. Pavetich, Poster, 7. Workshop RCA.