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Edelgas-Massenspektrometer

Der Erdentwicklung auf der Spur

| Autor/ Redakteur: Stephen Carter* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Verteilung von Element-Isotopen gibt Auskunft über das Alter von Mineralien und anderem geologischen Material. Ihre Messung spielt bei Forschungen der Geochronologie eine große Rolle. Bei der Isotopenmessung sind spezielle Massenspektrometer im Einsatz. Lesen Sie, warum für deren Funktion ein optimales Vakuumsystem entscheidend ist.

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Abb.1: Wie ist unsere Erde enstanden? Eine der vielen Fragen, die Geochronologen beantworten wollen.
Abb.1: Wie ist unsere Erde enstanden? Eine der vielen Fragen, die Geochronologen beantworten wollen.
( © BillionPhotos.com - Fotolia)

Die Erforschung der Geschichte unserer Erde und ihrer Bewohner beschäftigt die Menschheit seit Jahrhunderten. Wissenschaftler unterschiedlichster Disziplinen arbeiten ständig an neuen Erkenntnissen, die erklären, wie unser Planet entstand. Zu einer wichtigen Fachdisziplin für Geowissenschaftler, die in diesem Themenbereich forschen, hat sich die Geochronologie mittels Isotopenmessung entwickelt.

Als Isotope bezeichnet man verschiedene Atomsorten eines Elements, die über die gleiche Anzahl an positiv geladenen Teilchen (Protonen) verfügen, aber eine unterschiedliche Anzahl ungeladener Teilchen (Neutronen) haben. Radioaktive Isotope zerfallen nach und nach oder wandeln sich sogar in andere Elemente um. Wie lange diese Umwandlung dauert, wird durch die Bestimmung der Halbwertszeit eines Isotops gemessen. Als diese wird die Zeitspanne bezeichnet, in welcher sich die Menge der Atome eines Isotops halbiert hat. Kennt man die Halbwertszeit der jeweiligen Isotope, kann von der Halbwertszeit und der Isotopenzusammensetzung auf das Alter eines Elementes geschlossen werden.

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Dieses Prinzip hat sich die Geochronologie in Form des Verfahren der Isotopenmessung zu Nutzen gemacht: Bei dieser Forschungsmethode werden die Anteile der Zerfallsprodukte gemessen, die durch den radioaktiven Zerfall von Isotopen mit bekannter Halbwertszeit entstehen. So kann dann das absolute Alter von geologischem Material bestimmt werden. Das Berkeley Geochronology Center (BGC) in Kalifornien, USA, ist seit mehr als dreißig Jahren Experte auf dem Gebiet der geochronologischen Forschung. In den dortigen Labors kommen modernste Technologien zum Einsatz.

Edelgas-Massenspektrometer bestimmt Element-Alter

Dank der Fortschritte in der Vakuum-, Laser- und Computertechnologie können in den Experimenten nun noch genauere Daten gewonnen werden. Diese Versuchsergebnisse erlauben aufschlussreiche Einblicke in Prozesse wie Kontinentalverschiebung, Vulkanismus, Gebirgsbildung, Massenaussterben, Klimaveränderung sowie die Entwicklung der Menschheit selbst. Die Geochronologie ist nicht nur für die Festschreibung der Zeitachse ausschlaggebend, entlang derer diese verschiedenen Phänomene auftreten, sondern auch zur Bestimmung ihrer zeitlichen Zusammenhänge.

Eines der vielen wissenschaftlichen Instrumente, die zur Untersuchung dieser Phänomene am Forschungsinstitut eingesetzt werden, ist ein Edelgas-Massenspektrometersystem. Dieses System umfasst ein Massenspektrometer, ein Heizgerät – in den meisten Fällen auf Laserbasis – sowie ein Probenvorbereitungssystem. Die Anlage wird zur Analyse von Probengas, das von einer geologischen Probe freigesetzt wurde, verwendet.

Edelgas-Massenspektrometer sind hochempfindliche Instrumente, die der Analyse von Edelgasen wie Helium und Argon dienen. Eine ideale Anwendung von Edelgas-Massenspektrometrie ist die 40Ar/39Ar-Geochronologie. Bei dieser Methode werden die Produkte des radioaktiven Zerfalls von Kalium (K) genutzt und deren Verhältnis zueinander bestimmt, um das Alter von Gesteinsproben zu analysieren. Durch Neutronenbeschuss einer solchen Probe wird 39K in 39Ar (Argon) umgewandelt. Die zeitgleiche Analyse der Probe sowohl mit Hinblick auf das Mutterelement (K als 39Ar) als auch auf das Tochterelement (40Ar) im Edelgas-Massenspektrometer erhöht die Präzision und Genauigkeit der Messung deutlich.

Edelgas-Massenspektrometer erfordern eine spezielle Aufbereitung der Gasproben, die analysiert werden sollen. Dieser Konditionierungsprozess erfolgt in einem Subsystem zur Probenvorbereitung. Dieses System ist mit einer Pipettiervorrichtung sowie Anschlüssen zum Hinzufügen eines Probenheizsystems (z.B. Laser, Ofen, chemische Auflösung) für die Erzeugung des Probengases ausgestattet. Nachdem Probengas von einer geologischen Probe freigesetzt wurde, wird es mit Tiefkühlfallen und Getterpumpen gereinigt, sodass ausschließlich Edelgase verbleiben. Andere Gase, die den Ablauf der Messung stören könnten, werden eliminiert.

Die Probenvorbereitungslinie wird im Ultrahochvakuum (UHV) betrieben. Dieses Vakuumniveau lässt sich nur mit hocheffizienten und zuverlässigen Pumpen erzielen.

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