HELMHOLTZ-PREIS 1990 (Preisverleihung am 19.03.1990)
Prof. Dr. Heinz-Jürgen Kluge, Prof. Dr. Norbert Trautmann für die Arbeit „Ein Resonanzionisations-Massenspektrometer als analytisches Instrument für die Spurenanalyse“

 

Preisträger 1990: Ein Resonanzionisations-Massenspektrometer auf Spurensuche

Heinz-Jürgen Kluge (li.), 1941 in Sorau (Niederlausitz) geboren, studierte von 1960 bis 1967 Physik zunächst in Bonn und dann in Heidelberg, wo er 1970 promovierte. Als Postdoktorand forschte er am CERN. 1972 ging er an die Universität Mainz, wo er 1975 habilitierte und 1978 Professor für Experimentalphysik wurde. Er folge 1994 einem Ruf nach Heidelberg und war von 1999 bis 2005 Forschungsdirektor der GSI in Darmstadt. 2006 erhielt er den Lise Meitner Prize for Nuclear Science. 2007 ging er in den Ruhestand.

Norbert Trautmann (re.) wurde 1939 in Straubing geboren. Er studierte von 1958 bis 1964 in Mainz Chemie und wurde dort 1968 promoviert, mit Fritz Straßmann als zweitem Gutachter. Von 1970 bis 1971 war er Postdoktorand bei Seaborg und Ghiorso am Lawrence Berkeley Laboratory. Er kehrte 1971 nach Mainz zurück und war zunächst stellvertretender Betriebsleiter und von 1991 bis 2005 Betriebsleiter am Forschungsreaktor TRIGA. 1981 begann seine Zusammenarbeit mit H.-J. Kluge, die zur Entwicklung der Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) führte. Für seine wissenschaftlichen Leistungen erhielt er zahlreiche Auszeichnungen, so den Fritz-Straßmann-Preis (1984), den Otto-Hahn-Preis der Stadt Frankfurt am Main (1998) und den Glenn T. Seaborg Award for Nuclear Chemistry (2007). Seit 2005 ist er im Ruhestand.

Der Nachweis von extrem geringen Mengen giftiger oder radioaktiver Stoffe ist eine wichtige Aufgabe für die „Physikalische Messtechnik in Medizin und Umweltschutz“. In diesem Bereich wurden der Physiker Prof. Dr. Heinz-Jürgen Kluge und der Chemiker Prof. Dr. Norbert Trautmann, beide von der Universität Mainz, für ihre interdisziplinäre Arbeit „Ein Resonanzionisations-Massenspektrometer als analytisches Instrument für die Spurenanalyse“ mit dem Helmholtz-Preis 1990 geehrt.

Das von ihnen entwickelte Gerät vereinte die Vorzüge der Massenspektrometrie und der resonanten Ionisationsanregung von Atomen mittels Laserlicht für den hochempfindlichen element- und isotopenspezifischen Nachweis. So lag die Nachweisgrenze für das radioaktive Isotop Plutonium-239 bei 2 ∙ 106 Atomen, was 8 ∙ 10–16 Gramm entspricht. Damit war diese Methode zwei Größenordnungen empfindlicher als die α-Spektroskopie, die das Plutonium-239 durch seinen α-Zerfall nachweist.

Die Arbeit von Kluge und Trautmann beruhte auf der Idee, Atome des nachzuweisenden Elements oder Isotops gezielt in drei aufeinander folgenden Schritten erst anzuregen und dann zu ionisieren, sodass die geladenen Atome anschließend mit einem Massenspektrometer nachgewiesen werden konnten. Die Anregung und Ionisation der Atome erfolgte mit drei gepulsten und durchstimmbaren Farbstofflasern. Da bei den ersten beiden Schritten die Atome resonant angeregt wurden, war die Wahrscheinlichkeit, Störsubstanzen zu ionisieren, sehr klein und lag bei etwa 10–10.

Die in Pulsen ionisierten Atome konnten mit einem Flugzeitmassenspektrometer nach einzelnen Isotopen getrennt werden. Das zeigten die beiden Forscher am Beispiel der sieben natürlich vorkommenden Isotope des Gadoliniums, wobei die Massenauflösung MM bei 2700 lag. Wurde die resonante Anregung auf ein spezielles Isotop abgestimmt, so ließ sich dieses Isotop selektiv ionisieren und nachweisen, wobei andere Isotope stark unterdrückt wurden, wie das Beispiel von Plutonium belegte.

So konnte anhand der Isotopenzusammensetzung des Plutoniums in einer Umweltprobe erkannt werden, ob es sich um Reaktorplutonium oder nuklearen Fallout handelte. Inzwischen hat die Resonanzionisations-Massenspektrometrie vielfältige Anwendungen gefunden als empfindliche Messmethode für Actiniden und andere Elemente, die in Umweltproben oder biologischen Proben enthalten sind oder in Beschleunigern etwa beim CERN hergestellt wurden.

Literatur

H.-J. Kluge und N. Trautmann: Ein Resonanzionisations-Massenspektrometer als analytisches Instrument für die Spurenanalyse. PTB-Mitteilungen 100, (1990), 251