Neue Messmethode ermöglicht Rückschlüsse auf radioaktives Material

Ob radioaktiv belasteter Boden oder archäo­logische Fundstücke: Die Analyse von Isotopen kann helfen, Alter und Herkunft einer Probe genau zu bestimmen. Wissen­schaftler der Uni Hannover und der Uni Mainz haben jetzt eine neue Methode entwickelt, die geeignet ist, anhand der Isotopen­verteilung Information über die Herkunft kleinster Partikel zu erhalten. Entwickelt wurde die Methode für die nukleare Forensik. Denkbar ist länger­fristig aber auch eine Anwendung bei nicht radio­aktiven Proben, so beispielsweise bei Herkunfts­bestimmungen anhand von Isotopen in der Archäologie, bei Lebens­mitteln oder Umwelt­giften.

„Das Besondere an unserer Methode ist, dass sie selbst mikro­skopisch kleine Partikel intakt lässt. In günstigen Fällen zählen wir nur einige 10.000 Ionen. Daher kann man die Probe danach noch mit weiteren Techniken unter­suchen oder auch als Beweis­sicherung verwahren“, erklärt Projekt­leiter Clemens Walther von der Uni Hannover.

Grundsätzlich ermöglicht es die „Resonant Laser Secondary Neutral Mass Spectrometry, kurz SNMS, durch die Messung der Element- und Isotopen­zusammen­setzung, Hinweise auf die Herkunft und Geschichte eines Materials abzuleiten. Stammt das Material beispiels­weise aus einem Kernreaktor, so lassen sich Rückschlüsse auf den Reaktortyp ziehen und auch darauf, welche Betriebs­zustände der Reaktor hatte und wie lange das Material im Reaktor verbracht hat.

Nahezu alle Elemente lassen sich so bestimmen. Das Haupt­interesse des Forschungs­teams gilt den Actiniden Uran, Plutonium, Americium, Curium, aber auch den Spalt­produkten wie Strontium, Cäsium und Technetium. Die Forscher haben das Verfahren an Partikeln aus Tschernobyl demonstriert, die bei der Reaktor­explosion 1986 frei­ge­setzt wurden.

Im Gegensatz zu bisher eingesetzten Methoden arbeitet die SNMS praktisch zerstörungs­frei, das Partikel steht also für weitere Unter­suchungen zur Verfügung. Dafür wird eine kommer­zielle „Time of Flight“-Sekundär­ionen­massen­spektro­metrie-Anlage, kurz ToF-SIMS, mit Lasern gekoppelt, die die verschiedenen Elemente selektiv ionisieren. Damit ist es im Gegensatz zu herkömm­lichen massen­spektro­metrischen Methoden auch möglich, Isobare zu unter­drücken und damit Elemente wie Uran und Plutonium, deren Isotope über die gleiche Masse verfügen, unter­scheidbar zu machen, was bei konven­tio­nellen Massen­spektro­metern nicht möglich ist.

Gleiches gilt für die Elemente Plutonium und Americium. Das ist von großem Interesse, da ²⁴¹Pu eine Halb­werts­zeit von nur 14 Jahren hat und in ²⁴¹Am zerfällt. Dieses ²⁴¹Am ist als Alpha­strahler sehr radio­toxisch und wird in einigen Jahren die domi­nierende Alpha-Exposition rund um Tschernobyl darstellen. Es ist also für den künftigen Umgang mit und die Nutzung von konta­mi­nierten Flächen wichtig zu wissen, wie schnell und welche Isotope aus den in großen Mengen vorkom­menden Partikeln dort frei­ge­setzt werden können.

Weil die Methode keine aufwändige Proben­vor­bereitung, wie zum Beispiel chemische Trennung, benötigt, können die Wissen­schaftler innerhalb eines Arbeits­tages ein Partikel auffinden, separieren und die Isotopen­muster von bis zu vier verschiedenen Elementen messen. Die Summe der obigen Eigen­schaften macht die Anlage weltweit einzig­artig.

LUH / JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Bosco et al.: New horizons in microparticle forensics: Actinide imaging and detection of ²³⁸Pu and ^242mAm in hot particles, Sci. Adv. 7, eabj1175 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abj1175
• Institut für Radioökologie und Strahlenschutz, Leibniz-Universität Hannover
• Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz