Das radioaktive Edelgas-Isotop 85Kr kann als Nachweis (Tracer) zur Entdeckung von geheimer Plutoniumseparation dienen. 85Kr gelangt während der Wiederaufarbeitung in die Atmosphäre und kann dort nachgewiesen werden. Bisher wird diese Technik zur Entdeckung geheimer Produktion von waffenfähigem, spaltbarem Material nicht durch die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) verwendet, obwohl dies durch das Zusatzprotokoll zum Nichtverbreitungsvertrag (NVV) erlaubt wäre. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass keine geeignete Messtechnik für 85Kr existiert. Des Weiteren bieten 85Kr und das Krypton-Isotop 81Kr viele Anwendungen in Geowissenschaften, Umweltphysik und Industrie. Für alle diese Anwendungen sind 85Kr und 81Kr nur eingeschränkt anwendbar, da mit der bisher etablierten Messtechnik, Low Level Counting (LLC), die als Nachweis den radioaktiven Zerfall detektiert, die im Feld zu nehmenden Proben zu groß sind. Bisher gibt es keine Messtechnik, die einen routinemäßigen Messbetrieb mit kleinen Probenvolumen erlaubt.
1999 wurde eine neue, erfolgversprechende Messtechnik zur Ultraspurenanalyse "Atom Trap Trace Analysis (ATTA)" vorgeschlagen und demonstriert. Sie basiert auf einer magneto-optischen Falle (MOT), einer etablierten Technik aus dem rasant wachsenden Forschungsgebiet der Quantenoptik. Derzeit gibt es weltweit nur wenige Forschergruppen, die an einem ATTA-Experiment arbeiten und der Durchbruch zur Analyse von kleinsten Probevolumen für Krypton ist noch nicht erreicht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zusammen mit M. Kohler ein neuartiges ATTA-Experiment basierend auf einer 2D+-3D-MOT-Kombination für 85Kr und 81Kr mit integrierter optischer Anregung der Krypton-Atome konzipiert. Hauptmerkmale bei der Planung der Apparatur waren die Verwendung kleiner Probenvolumen, kurze Messzeiten, Wiederverwendung der Proben und die Reduktion von systematischen Fehlern. Entscheidend für die Verwendung von kleinen Proben ist die hier geplante erstmalige Implementierung der optischen Anregung zur Produktion von metastabilen Krypton-Atomen, die mit gängiger Lasertechnologie manipulierbar sind. Hierzu wurde eine langlebige VUV-Lampe erstmals erfolgreich entwickelt und getestet. Dies stellt einen entscheidenden Schritt hin zur Verwendung von kleinen Proben dar. 85Kr und 81Kr sollen zeitgleich gefangen und detektiert werden, um die nötige Messzeit weiter zu verringern. Ein Vakuum-System für die 2D+-3D-MOT-Kombination wurde detailliert geplant, gezeichnet und in Teilen aufgebaut. Alle Komponenten wurde daraufhin optimiert die Gesamteffizienz des Systems zu steigern, wie z. B. ein möglichst großes 2D+-MOT Einfangvolumen und optisches Anregungsvolumen, eine nahezu beugungslimitierte Abbildungsoptik zum effizienten Nachweis der gefangenen Atome, ein leistungsstarkes Laser-System zum Kühlen und Fangen für 85Kr und 81Kr und einen minimalen Abstand zwischen 2D+-MOT und 3D-MOT.
Fertiggestellt wurden die optischen Systeme. Nach Abschluss beider Promotionen wird das Vakuum-System zusammen gesetzt und das Experiment als Ganzes in Betrieb genommen.
The radioactive noble gas isotope 85Kr can act as tracers for the detection of clandestine plutonium separation. 85Kr is released to the atmosphere during reprocessing where it can be detected. To date, this technique for detection of secret production of nuclear weapon-usable fissile material is not applied by the International Atomic Energy Agency (IAEA) due to the lack of suitable measurement techniques, although it is allowed by the Additional Protocol to the Non-Proliferation Treaty. Furthermore 85Kr and the krypton isotope 81Kr provide many applications in geosciences, environmental physics and industry.
For all these applications the use of 85Kr and 81Kr is limited. The required sample size of the established measurement technique Low Level Counting (LLC), which detects theradioactive decay, is oversized to be taken in the field. So far there is no measurement technique allowing for routine measurements using small sample sizes. 1999, a promising new technique "Atom Trap Trace Analysis (ATTA)" was proposed and demonstrated. It is based on a magneto-optical trap (MOT), an established technology in the emerging field of quantum optics. Currently, there are only a few research groups working on an ATTA experiment and the breakthrough for the analysis of very small sample volumes of krypton has not been reached.
Together with M. Kohler a novel ATTA experiment based on a 2D+-3D-MOT combination for 85Kr and 81Kr with integrated optical excitation of the atoms was designed. Key features in the planning of the apparatus were the capability of using small sample sizes, a short measurement time, the re-use of samples and the reduction of systematic errors. Decisive for the use of small samples is the envisaged first-time implementation of the optical production of metastable krypton atoms. The metastable state of krypton can be manipulated with common laser technology. For this purpose a novel VUV lamp with an extended life-time was successfully developed and tested. This represents the decisive factor for the use of small samples sizes. It is intended to trap and detect 85Kr and 81Kr simultaneously to reduce required measurement time. A vacuum system for the 2D+-3D-MOT combination in which the krypton atoms circulate at high frequency was designed in detail, drafted and built up in parts. All components were thereupon optimized to increase the overall efficiency of the system, such as the largest possible 2D+-MOT capture volume and optical excitation volume, a nearly diffraction-limited imaging optics for efficient detection of the trapped atoms, a powerful laser system for cooling and trapping 85Kr and 81Kr or a minimum clearance between 2D+-MOT and 3D-MOT.
Within the time frame of this work, it was not possible to assemble the vacuum system and to start running the entire experiment.