Möglichkeiten und Grenzen einer 2D-Magnetooptischen Falle mit optischer Anregung zur Ultraspurenanalyse seltener Kryptonisotope

Abstract

Krypton-85 ist ein seltenes Radionuklid, das nahezu ausschließlich durch Kernspaltung entsteht und im Wesentlichen bei der nuklearen Wiederaufarbeitung in die Atmosphäre gelangt. Mit seiner relativ kurzen Halbwertszeit von 10{,}8 Jahren bildet es so einen idealen Tracer zum Nachweis verdeckter Separation von Plutonium, die auf völkerrechtlich oder vertraglich verbotene nukleare Aktivitäten hinweisen könnte. Darüber hinaus eröffnet der bekannte zeitliche Verlauf der atmosphärischen Konzentration von Kr-85 Anwendungen in den Umweltwissenschaften wie Grundwasserdatierung und die Verfolgung des Verlaufs von Grundwasserleitern.

Das Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung (ZNF) der Universität Hamburg entwickelt ein System zur Konzentrationsmessung seltener Krypton-Isotope in Luftproben mittels Atom Trap Trace Analysis (ATTA). Im Gegensatz zu ähnlichen Projekten verfolgt das ZNF-System einen vollständig optischen Ansatz, der eine Kreuzkontamination der Proben vermeidet und auf einen höheren Probendurchsatz abzielt.

In dieser Arbeit wird der aktuelle ATTA-Aufbau, bestehend aus einer 2D/3D magnetooptischen Falle (MOT), hinsichtlich seines Potenzials für reale Messungen von Krypton-85 evaluiert. Dazu wurde ein mathematisches Modell für die Erzeugung metastabiler Kr-Atome und für den Einfangprozess entwickelt, einschließlich einer Monte-Carlo-Simulation zur Berechnung des resultierenden Atomflusses, der von der 2D-MOT unter verschiedenen Bedingungen produziert wird.

Krypton-85 is a rare radionuclide which is nearly exclusively produced by nuclear fission and released into the atmosphere mainly during nuclear reprocessing. With its relatively short half-life of 10{,}8 years it forms a suitable tracer for the detection of clandestine plutonium separation, which could indicate nuclear activities prohibited by international law or treaties. Furthermore, its well-known atmospheric concentration over the time opens up applications in environment sciences like groundwater dating and aquifer tracking.

The Carl Friedrich von Weizsäcker-Centre for Science and Peace Research (ZNF) at the Univerity of Hamburg is developing a system for concentration measurement of rare Krypton isotopes in air samples using Atom Trap Trace Analysis technique (ATTA). In contrast to similar projects, the ZNF system employs a full-optical approach, avoiding sample cross-contamination and aiming at a higher sample throughput.

In this work, the current ATTA setup, consisting of a 2D/3D magneto-optical trap (MOT) combination, is evaluated with regard to its potential for real-life measurements of Krypton-85. For this purpose, a mathematical model for the production of metastable Kr-atoms and for the trapping process was developed, including a monte-carlo simulation for calculation of the resulting atom flux produced by the 2D-MOT under various conditions.