Die Verwendung der seltenen Kryptonisotope (85Kr und 81Kr) als Tracer für die Datierung von jungen (bis zirka 50 Jahre) beziehungsweise alten (bis zirka 3 000 000 Jahre) Grundwässern ist in den Geowissenschaften weit verbreitet. Begrenzt wird der Einsatz durch die minimale Probengröße, die durch das aktuelle Auswertesystem (LLC) auf zirka 30 μL Krypton für 85Kr vorgegeben ist.
Das rein anthropogen erzeugte 85Kr, welches zum größten Teil durch Wiederaufbereitungsaktivitäten in die Atmosphäre emittiert wird, stellt mit seiner Halbwertszeit von 10,76 Jahren die beste Möglichkeit dar, insbesondere geheime Aktivitäten zu entdecken. Auch in diesem Fall ist die Implementierung dieser Methode zur Entdeckung von Verletzungen des Vertrages über die Nichtverbreitung von Kernwaffen (NVV) durch die Internationale Atomenergieorganisation (IAEO) derzeit wegen der Probengröße und der voraussichtlich benötigten Anzahl an Proben behindert.
Das im Jahre 1999 am Argonne National Laboratory (ANL) entwickelte Experiment – Atom Trap Trace Analysis (ATTA) – zeigt einen Weg auf, diese Limitierung bezüglich Probengröße und Messdauer zu überwinden. Am Carl Friedrich von Weizsäcker-Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung wurde das am ANL existierende Systemdesign aufgegriffen, was in ein neu konzipiertes ATTA-Experiment mündete, welches sowohl die Probengröße auf zirka 1 μL Krypton reduzieren als auch einen hohen Probendurchsatz erreichen soll.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zusammen mit Heiner Daerr ein ATTA-Experiment konzipiert, das auf einer Kombination aus einer 3D-MOT als Nachweisinstrument und einer 2D+-MOT als isotopenselektives Element basiert. Die erstmalige Implementierung einer optischen Anregung von Krypton in den metastabilen Zustand innerhalb eines kontinuierlich betriebenen Experiments wurde erst durch die Entwicklung einer neuartigen langlebigen ultrahochvakuumtauglichen Vakuum-Ultra-Violetten(VUV)-Lampe möglich. Nur metastabiles Krypton kann mit zurzeit technisch zugänglichen Lasern mittels magneto-optischer Kühlung selektiert und durch die Fluoreszenz nachgewiesen werden. Insbesondere die Vereinigung der Erzeugung von metastabilen Kryptonatomen und der isotopischen Selektierung in einer Kammer ist einmalig. Das Ultrahochvakuumsystem besteht aus drei Kammern, die einzeln auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten, konstruktiv umgesetzt und gebaut wurden. Das Lasersystem bietet die Möglichkeit, die beiden seltenen Kryptonisotope gleichzeitig in einer magneto-optischen Falle zu fangen und isotopenspezifisch zählen zu können.
The use of rare Krypton isotopes (85Kr and 81Kr) for dating of young (up to 50 years) or ancient (up to 3 000 000 years) groundwater is a common instrument in Earth sciences. The application is limited by a minimum sample size of about 30 μL of Krypton given by the standard detection method (LLC) for 85Kr.
85Kr is anthropogenically produced and mainly emitted to the atmosphere by reprocessing and has a half-life of 10.76 years. It has a high potential for uncover undeclared reprocessing activities. At present, the implementation of this method to detect non-compliance to the Non-Proliferation-Treaty (NPT) by the International Atomic Energy Agency (IAEA) is also limited by sample size and number.
In 1999 an new experiment – Atom Trap Trace Analysis (ATTA) – was built at the Argonne National Laboratory (ANL) with potential to overcome the limitation of sample size and measurement time. At the Carl Friedrich von Weizsäcker Centre for Science and Peace Research a new ATTA experiment based on the ANL design is desigend to work with sample size of about 1 μL of Krypton and a high capacity.
During this PhD in cooperation with Heiner Daerr this ATTA experiment was planned, based on a combination of a 3D-MOT for detection and a 2D+- MOT as the isotope selective element. The first implementation of an optical production of metastable Krypton within a continuously used experiment will be accomplished by the newly designed durable vacuum-ultra-violet(VUV)-lamp. At present, only metastable Krypton can be laser cooled down and isotopically selected by magneto optical methods using the fluorescence. Especially the combination of the production of metastable Krypton and the isotopic selection within one chamber is unique. The ultra high vacuum system consists of three specifically designed and built chambers. The laser system includes the possibility to simultaneously trap and selectively count the krypton isotopes of interest within a magneto optical trap.