Radionuclide fingerprinting of hot particles by laser ablation - multiple collector - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-MC-ICP-MS)

Abstract

Radionuklides Fingerprinting von so genannten heißen Partikeln hat vor allem im Rahmen der verstärkten nuklearen Sicherungsmaßnahmen für die Aufdeckung undeklarierter nuklearer Aktivitäten große Bedeutung.<br /> Laser ablation - multiple collector - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-MC-ICP-MS) ist eine sehr viel versprechende Methode für die direkte Bestimmung von Isotopenmengenverhältnissen in individuellen Partikeln. Das Ziel dieser Masterarbeit war die Entwicklung einer analytischen Methode für die simultane Bestimmung von Radionukliden in individuellen Partikeln mittels LA-MC-ICP-MS. Die Methodenvalidierung wurde mittels Glaspartikeln, welche U mit einer zertifizierten Isotopenzusammensetzung enthalten, durchgeführt. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Verwendung von He als Trägergas in der Laserablationszelle im Vergleich zu Ar bevorzugt einzusetzen ist. Weiters stimmen Isotopenverhältnisse, die simultan mit einem Faraday Cup und einem Ionenzähler bestimmt wurden, besser mit den zertifizierten Werten der Glaspartikel überein, als Isotopenverhältnisse, die nur mit Ionenzählern bestimmt wurden. Wenn Radionuklide in sehr geringen Mengen vorliegen, kann die Analyse von Isotopenverhältnissen trotz allem nur mit Ionenzählern durchgeführt werden. Die simultane Bestimmung von 235U/238U und 236U/238U Isotopenverhältnissen konnte durch eine Modifizierung der Standardkollektorblockanordnung durchgeführt werden. Um den Ionenstrahl von seiner Bahn abzulenken wurde ein ,Dog leg' im Detektionssystem installiert. Da Linearität und Totzeit kritische Parameter für akkurate Isotopenmessungen sind, wurden viele Anstrengungen unternommen, um diese zwei Parameter zu bestimmen. Die Fähigkeit präzise U Isotopenverhältnisse in einzelnen Partikeln zu bestimmen, konnte durch die Teilnahme am NUSIMEP-6 Ringversuch gezeigt werden. Während die bestimmten 234U/238U und 235U/238U Isotopenverhältnisse mit den zertifizierten Werten übereinstimmten, konnte das 236U/238U Isotopenverhältnis nicht zufrieden stellend bestimmt werden.

Radionuclide fingerprinting of so called hot particles is especially important for strengthened nuclear safeguards in order to determine undeclared nuclear activities.<br />Laser ablation - multiple collector - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-MC-ICP-MS) is regarded as method with high potential for direct determination of isotope amount ratios in individual particles. The aim of this master thesis was the development of an analytical method for the simultaneous determination of radionuclides in individual particles by means of LA-MC-ICP-MS. Method validation was performed with glass particles doped with U of certified isotopic compositions. It has been demonstrated successfully that the use of He as carrier gas in the laser ablation cell is preferable over Ar. In addition, isotope ratios determined using the combination of Faraday cup and an ion counting multiplier detection are in better agreement with the certified values than ratios determined by applying ion counting multipliers only. Nonetheless, the analysis of isotope ratios has to be performed with ion counting multipliers when radionuclides are present in very low concentrations. The simultaneous determination of 235U/238U and 236U/238U isotope ratios was accomplished by modifying the standard collector block arrangement by installing a so called 'dog leg' in the detection system for deflecting the ion beam from its trajectory. Since linearity and dead time of ion counting multipliers are crucial parameters for accurate isotope ratio measurements accomplished with such devices, much effort has been made to determine these two parameters. The ability to perform precise U isotope ratio measurements in single particles has been demonstrated in the NUSIMEP-6 interlaboratory comparison exercise. While the determined 234U/238U and 235U/238U isotope ratios were in agreement with the certified values, the 236U/238U isotope ratio could not be satisfactorily determined.