Published May 7, 2020 | Version v1
Miscellaneous

Spatially resolved analysis of actinides using resonant ToF laser SNMS

Description

The BMBF-funded research project Secondary Ionisation of Radioactive Isotopes for Ultra trace analysis with Spatial resolution (SIRIUS) on the migration of radionuclides from a future nuclear waste repository focuses on the migration and dissolution behavior of micro- and nanoparticles. A non-destructive characterization of synthetically generated or environmental particles is indispensable as a starting point for the following speciation and leaching experiments on individual particles with regard to their elementary and isotopic composition, as it allows to determine the origin and history of considered particles. Radiometric methods like α- and γ-spectrometry offer first information regarding the isotope composition besides scanning electron microscopy, but can either only detect the short-lived radionuclides with correspondingly high decay energies or are limited to the composition of the main elements. An alternative detection method for a range of stable as well as radioactive isotopes is the almost non-destructive resonant laser secondary neutral time-of-flight mass spectrometry, which provides an isotope-selective surface analysis with a lateral resolution of down to 100 nm. The research project is focussed on the geochemical migration behavior of uranium, plutonium, americium and technetium, with the present work dealing with the ionization behavior of sputtered uranium, plutonium and americium from nuclear fuel particle surfaces. Existing and newly developed two- and three-step resonance ionization schemes have been investigated and optimized for the suppression behavior of isobaric interferences and an equal response of different isotopes of one element. The influence of laser beam polarizations on the isotope signal was investigated and the total angular momentum quantum number of an autoionizing state of plutonium was determined. In addition, the first unambiguous non-destructive detection of 238Pu in the presence of an excess of 238U by at least five orders of magnitude from a fuel particle sample originating in the Chernobyl Exclusion Zone was performed. In addition, a two-step excitation scheme for americium developed by the Institute of Physics was successfully applied for detection of 242mAm in the same sample with an estimated total mass of about one femtogram.

Availability note (English)

Available from: https://www.repo.uni-hannover.de/handle/123456789/9888; Available from: http://dx.doi.org/10.15488/9831

Abstract (German)

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Forschungsprojekt Secondary Ionisation of Radioactive Isotopes for Ultra trace analysis with Spatial resolution (SIRIUS) zur Migration von Radionukliden aus einem künftigen Endlager fokusstiert sich auf das Migrations- und Auflösungsverhalten von Mikro- und Nanopartikeln. Für Experimente geeignete Partikel bedürfen einer anfänglichen zerstörungsfreien Charakterisierung, um mit Umweltpartikeln anschließend Speziations- und Auslaugungsexperimente durchführen zu können. Hierzu werden einzeln präparierte Partikel benötigt, die bezüglich der elementaren und isotopen Zusammensetzung charakterisiert wurden, da hierdurch die Herkunft betrachteter Partikel bestimmt werden kann. Radiometrische Untersuchungsmethoden wie α- und γ-Spektrometrie bieten hier neben der Rasterelektronenmikroskopie Informationen bezüglich der Isotopenzusammensetzung, können jedoch entweder nur die kurzlebigen Radionuklide mit entsprechend hohen Zerfallsenergien nachweisen oder sind auf die Zusammensetzung bezüglich der Hauptelemente beschränkt. Eine alternative Nachweismethode für eine Bandbreite von sowohl radioaktiven, als auch stabilen Isotopen bietet die nahezu zerstörungsfreie resonante Laser-Sekundärneutralteilchen-Flugzeit-Massenspektrometrie, die eine isotopenselektive Oberflächenanalyse bei einer lateralen Auflösung im Bereich von 100 nm bereitstellt. Das Forschungprojekt beschränkt sich dabei auf das geochemische Migrationsverhalten von Uran, Plutonium, Americium und Technetium, wobei sich die vorliegende Arbeit mit dem Ionisationsverhalten von gesputtertem Uran, Plutonium und Americium von Kernbrennstoffpartikeloberflächen befasst. Bestehende und neu entwickelte zwei- und dreistufige Resonanzionisationsschemata sind auf das Unterdrückungsverhalten isobarer Interferenzen und das Ansprechen verschiedener Isotope eines Elements hin untersucht und optimiert worden. Es wurde der Einfluss von Laserstrahlpolarisationen auf das Isotopensignal untersucht und darüber die Gesamtdrehimpulsquantenzahl eines autoionisierenden Zustands von Plutonium bestimmt. Darüber hinaus erfolgte der erstmalige nahezu zerstörungsfreie Nachweis von 238Pu bei einem Überschuss an 238U von mindestens fünf Größenordnungen von einer Brennstoffpartikelprobe aus der Chernobyl Exclusion Zone. Zusätzlich ist über ein durch das Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz neu entwickeltes zweistufiges Anregungsschema für Americium der Nachweis des Isotops 242mAm in derselben Probe bei einer abgeschätzten Gesamtmasse von etwa einem Femtogramm gelungen.

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Ortsaufgelöste Analyse von Aktiniden mittels resonanter ToF-Laser-SNMS

Publishing Information

Imprint Pagination
162 p.

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
52078705
Subject category
S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES; S38: RADIATION CHEMISTRY, RADIOCHEMISTRY AND NUCLEAR CHEMISTRY; S12: MANAGEMENT OF RADIOACTIVE WASTES, AND NON-RADIOACTIVE WASTES FROM NUCLEAR FACILITIES;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis, Non-conventional Literature
Descriptors DEI
ALPHA SPECTROSCOPY; AMERICIUM 242; FUEL PARTICLES; GAMMA SPECTROSCOPY; GEOCHEMISTRY; IONIZATION; ISOTOPE RATIO; LEACHING; MASS SPECTROSCOPY; NANOPARTICLES; NONDESTRUCTIVE TESTING; PLUTONIUM 238; RADIOACTIVE WASTE DISPOSAL; RADIONUCLIDE MIGRATION; SCANNING ELECTRON MICROSCOPY; SPATIAL RESOLUTION; TECHNETIUM; TIME-OF-FLIGHT METHOD; TRACE AMOUNTS; URANIUM 238
Descriptors DEC
ACTINIDE NUCLEI; ALPHA DECAY RADIOISOTOPES; AMERICIUM ISOTOPES; BETA DECAY RADIOISOTOPES; BETA-MINUS DECAY RADIOISOTOPES; CHEMISTRY; DIMENSIONLESS NUMBERS; DISSOLUTION; ELECTRON CAPTURE RADIOISOTOPES; ELECTRON MICROSCOPY; ELEMENTS; ENVIRONMENTAL TRANSPORT; EVEN-EVEN NUCLEI; HEAVY ION DECAY RADIOISOTOPES; HEAVY NUCLEI; HOURS LIVING RADIOISOTOPES; ISOMERIC TRANSITION ISOTOPES; ISOTOPES; MANAGEMENT; MASS TRANSFER; MATERIALS TESTING; METALS; MICROSCOPY; NUCLEI; ODD-ODD NUCLEI; PARTICLES; PLUTONIUM ISOTOPES; RADIOACTIVE WASTE MANAGEMENT; RADIOISOTOPES; REFRACTORY METALS; RESOLUTION; SEPARATION PROCESSES; SILICON 32 DECAY RADIOISOTOPES; SPECTROSCOPY; SPONTANEOUS FISSION RADIOISOTOPES; TESTING; TRANSITION ELEMENTS; URANIUM ISOTOPES; WASTE DISPOSAL; WASTE MANAGEMENT; YEARS LIVING RADIOISOTOPES