Qucosa – Hemholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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Elastische Rückstoßatomspektrometrie leichter Elemente mit Subnanometer-Tiefenauflösung
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit wird erstmals das QQDS-Magnetspektrometer für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umfassend vorgestellt. Zusätzlich werden sowohl alle auf die Analytik Einfluss nehmenden Parameter untersucht als auch Methoden und Modelle vorgestellt, wie deren Einfluss vermieden oder rechnerisch kompensiert werden kann.
Die Schwerpunkte dieser Arbeit gliedern sich in fünf Bereiche.
Der Erste ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des QQDS-Magnetspektrometers, der zugehörige Streukammer mit allen Peripheriegeräten und des eigens für die höchstauflösende elastische Rückstoßanalyse entwickelten Detektors. Sowohl das umgebaute Spektrometer als auch der im Rahmen dieser Arbeit gebaute Detektor wurden speziell an experimentelle Bedingungen für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente angepasst und erstmalig auf einen routinemäßigen Einsatz hin getestet. Der Detektor besteht aus zwei Komponenten. Zum einen befindet sich am hinteren Ende des Detektors eine Bragg-Ionisationskammer, die zur Teilchenidentifikation genutzt wird. Zum anderen dient ein Proportionalzähler, der eine Hochwiderstandsanode besitzt und direkt hinter dem Eintrittsfenster montiert ist, zur Teilchenpositionsbestimmung im Detektor.
Die folgenden zwei Schwerpunkte beinhalten grundlegende Untersuchungen zur Ionen-Festkörper-Wechselwirkung. Durch die Verwendung eines Magnetspektrometers ist die Messung der Ladungszustandsverteilung der herausgestreuten Teilchen direkt nach einem binären Stoß sowohl möglich als auch für die Analyse notwendig. Aus diesem Grund werden zum einen die Ladungszustände gemessen und zum anderen mit existierenden Modellen verglichen. Außerdem wird ein eigens entwickeltes Modell vorgestellt und erstmals im Rahmen dieser Arbeit angewendet, welches den ladungszustandsabhängigen Energieverlust bei der Tiefenprofilierung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass ohne die Anwendung dieses Modells die Tiefenprofile nicht mit den quantitativen Messungen mittels konventioneller Ionenstrahlanalytikmethoden und mit der Dickenmessung mittels Transmissionselektronenmikroskopie übereinstimmen, und damit falsche Werte liefern würden. Der zweite für die Thematik wesentliche Aspekt der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung, sind die Probenschäden und -modifikationen, die während einer Schwerionenbestrahlung auftreten. Dabei wird gezeigt, dass bei den hier verwendeten Energien sowohl elektronisches Sputtern als auch elektronisch verursachtes Grenzflächendurchmischen eintreten. Das elektronische Sputtern kann durch geeignete Strahlparameter für die meisten Proben ausreichend minimiert werden. Dagegen ist der Einfluss der Grenzflächendurchmischung meist signifikant, so dass dieser analysiert und in der Auswertung berücksichtigt werden muss. Schlussfolgernd aus diesen Untersuchungen ergibt sich für die höchstauflösende Ionenstrahlanalytik leichter Elemente am Rossendorfer 5-MV Tandembeschleuniger, dass die geeignetsten Primärionen Chlor mit einer Energie von 20 MeV sind. In Einzelfällen, wie zum Beispiel der Analyse von Bor, muss die Energie jedoch auf 6,5 MeV reduziert werden, um das elektronische Sputtern bei der notwendigen Fluenz unterhalb der Nachweisgrenze zu halten.
Der vierte Schwerpunkt ist die Untersuchung von sowohl qualitativen als auch quantitativen Einflüssen bestimmter Probeneigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenrauheit, auf die Form des gemessenen Energiespektrums beziehungsweise auf das analysierte Tiefenprofil. Die Kenntnis der Rauheit einer Probe an der Oberfläche und an den Grenzflächen ist für die Analytik unabdingbar. Als Resultat der genannten Betrachtungen werden die Einflüsse von Probeneigenschaften und Ionen-Festkörper-Wechselwirkungen auf die Energie- beziehungsweise Tiefenauflösung des Gesamtsystems beschrieben, berechnet und mit der konventionellen Ionenstrahlanalytik verglichen. Die Möglichkeiten der höchstauflösenden Ionenstrahlanalytik werden zudem mit den von anderen Gruppen veröffentlichten Komplementärmethoden gegenübergestellt.
Der fünfte und letzte Schwerpunkt ist die Analytik leichter Elemente in ultradünnen Schichten unter Berücksichtigung aller in dieser Arbeit vorgestellten Modelle, wie die Reduzierung des Einflusses von Strahlschäden oder die Quantifizierung der Elemente im dynamischen Ladungszustandsnichtgleichgewicht. Es wird die Tiefenprofilierung von Mehrschichtsystemen, bestehend aus SiO2-Si3N4Ox-SiO2 auf Silizium, von Ultra-Shallow-Junction Bor-Implantationsprofilen und von ultradünnen Oxidschichten, wie zum Beispiel High-k-Materialien, demonstriert
Brilliant radiation sources by laser-plasma accelerators and optical undulators
Get PDFThis thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation.
Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide.
In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser.
The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs)
Annual Report 2010 - Institute of Safety Research
Get PDFThe Institute of Safety Research (ISR) was over the past 20 years one of the six Research Institutes of Forschungszentrum Dresden-Rossendorf e.V. (FZD), which in 2010 belonged to the Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz. Together with the Institutes of Radiochemistry and Radiation Physics, ISR implements the research programme „Nuclear Safety Research“ (NSR), which was during last years one of the three scientific programmes of FZD. NSR involves two main topics, i.e. “Safety Research for Radioactive Waste Disposal” and “Safety Research for Nuclear Reactors”. The research of ISR aims at assessing and enhancing the safety of current and future reactors, the development of advanced simulation tools including their validation against experimental data, and the development of the appropriate measuring techniques for multi-phase flows and liquid metals
Zur Aufnahme und Bindung von U(VI) durch die Grünalge Chlorella vulgaris
Get PDFUran kann sowohl durch geogene als auch anthropogene Vorgänge in die Umwelt gelangen. Dazu zählen natürliche Uranerzvorkommen und deren Leaching sowie die Auswaschung von Uran aus den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus. Die Aufklärung des Verhaltens von Uran in der Geo- und Biosphäre ist für eine Risikoabschätzung des Migrationsverhaltens von Radionukliden in der Umwelt notwendig. Algen sind in der Natur weit verbreitet und die wichtigste Organismengruppe in den aquatischen Lebensräumen. Durch ihre ubiquitäre Verbreitung in der Natur ist ihr Einfluss auf das Migrationsverhalten von Uran in der Umwelt von grundlegendem Interesse z.B. um effektive und wirtschaftliche Remediationsstrategien für Wässer zu entwickeln. Außerdem stehen Algen am Beginn der Nahrungskette und spielen eine wirtschaftlich relevante Rolle als Nahrung beziehungsweise Nahrungsergänzungsmittel. Die Möglichkeit des Transfers von algengebundenem Uran entlang der Nahrungskette könnte eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für den Menschen darstellen.
Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative und strukturelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Uran(VI) und der Grünalge Chlorella vulgaris im umweltrelevanten Konzentrations- und pH-Wertbereich unter besonderer Berücksichtigung der Stoffwechselaktivität.
Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der Sorptionsexperimente zeigen deutlich den maßgeblichen Einfluss des Stoffwechselstatus von Chlorella auf die Wechselwirkung mit Uran. So kann in Gegenwart von umweltrelevanten Urankonzentrationen eine Remobilisierung von zuvor passiv gebundenem Uran durch die stoffwechselaktiven Algen erfolgen. Die in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität, der Urankonzentration und dem pH-Wert mit den Algenzellen gebildeten Uran(VI)-Komplexe wurden strukturell mit Hilfe der spektroskopischen Methoden TRLF-, EXAFS- und ATR-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Mittels TEM konnte Uran in Form von 30-70 nm großen nadelförmigen Ablagerungen in der Zellwand der lebende Algenzellen nachgewiesen werden.
Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Vorhersage des Migrationsverhaltens von Uran unter umweltrelevanten Bedingungen und der radiologischen Risikobewertung von geogen und anthropogen auftretendem Uran
Ion beam processing of surfaces and interfaces – Modeling and atomistic simulations
Get PDFSelf-organization of regular surface pattern under ion beam erosion was described in detail by Navez in 1962. Several years later in 1986 Bradley and Harper (BH) published the first self-consistent theory on this phenomenon based on the competition of surface roughening described by Sigmund’s sputter theory and surface smoothing by Mullins-Herring diffusion. Many papers that followed BH theory introduced other processes responsible for the surface patterning e.g. viscous flow, redeposition, phase separation, preferential sputtering, etc. The present understanding is still not sufficient to specify the dominant driving forces responsible for self-organization. 3D atomistic simulations can improve the understanding by reproducing the pattern formation with the detailed microscopic description of the driving forces. 2D simulations published so far can contribute to this understanding only partially.
A novel program package for 3D atomistic simulations called trider (TRansport of Ions in matter with DEfect Relaxation), which unifies full collision cascade simulation with atomistic relaxation processes, has been developed. The collision cascades are provided by simulations based on the Binary Collision Approximation, and the relaxation processes are simulated with the 3D lattice kinetic Monte-Carlo method. This allows, without any phenomenological model, a full 3D atomistic description on experimental spatiotemporal scales. Recently discussed new mechanisms of surface patterning like ballistic mass drift or the dependence of the local morphology on sputtering yield are inherently included in our atomistic approach.
The atomistic 3D simulations do not depend so much on experimental assumptions like reported 2D simulations or continuum theories. The 3D computer experiments can even be considered as ’cleanest’ possible experiments for checking continuum theories. This work aims mainly at the methodology of a novel atomistic approach, showing that: (i) In general, sputtering is not the dominant driving force responsible for the ripple formation. Processes like bulk and surface defect kinetics dominate the surface morphology evolution. Only at grazing incidence the sputtering has been found to be a direct cause of the ripple formation. Bradley and Harper theory fails in explaining the ripple dynamics because it is based on the second-order-effect ‘sputtering’. However, taking into account the new mechanisms, a ‘Bradley-Harper equation’ with redefined parameters can be derived, which describes pattern formation satisfactorily. (ii) Kinetics of (bulk) defects has been revealed as the dominating driving force of pattern formation. Constantly created defects within the collision cascade, are responsible for local surface topography fluctuation and cause surface mass currents. The mass currents smooth the surface at normal and close to normal ion incidence angles, while ripples appear first at θ ≥ 40°.
The evolution of bimetallic interfaces under ion irradiation is another application of trider described in this thesis. The collisional mixing is in competition with diffusion and phase separation. The irradiation with He+ ions is studied for two extreme cases of bimetals: (i) Irradiation of interfaces formed by immiscible elements, here Al and Pb. Ballistic interface mixing is accompanied by phase separation. Al and Pb nanoclusters show a self-ordering (banding) parallel to the interface. (ii) Irradiation of interfaces by intermetallics forming species, here Pt and Co. Well-ordered layers of phases of intermetallics appear in the sequence Pt/Pt3Co/PtCo/PtCo3/Co. The trider program package has been proven to be an appropriate technique providing a complete picture of mixing mechanisms
TOPFLOW-Experimente, Modellentwicklung und Validierung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang
Get PDFDas Ziel des Vorhabens bestand in der Ertüchtigung von CFD-Codes für Wasser-Dampf-Strömungen mit Phasenübergang. Während CFD-Verfahren für einphasige Strömungen bereits breite Anwendung in der Industrie finden, steht ein entsprechender Einsatz für Zweiphasenströmungen auf Grund der komplexen Phasengrenzfläche und den davon beeinflussten Wechselwirkungen erst am Anfang. Für die Weiterentwicklung und Validierung geeigneter Schließungsmodelle werden experimentelle Daten mit hoher Orts- und Zeitauflösung benötigt. Solche Daten wurden an der TOPFLOW-Versuchsanlage des HZDR durch Kombination von Experimenten bei praxisnahen Parametern für die Reaktorsicherheit (große Skalen, hohe Drücke und Temperaturen) und innovativer Messtechnik gewonnen. Die Gittersensortechnik, mit der detaillierte Informationen über die Phasengrenzfläche gewonnen werden können, wurde in adiabaten Wasser-Luft-Experimenten sowie Kondensations- und Druckentlastungsexperimenten in einem großen DN200-Rohr eingesetzt. Umfangreiche Datenbasen mit hoher Qualität stehen im Ergebnis des Vorhabens zur Verfügung. Die Technologie für die schnelle Röntgentomographie, die Messungen ohne Strömungsbeeinflussung ermöglicht, wurde weiter entwickelt und in einer ersten Messserie erfolgreich eingesetzt. Hochaufgelöste Daten wurden auch in Experimenten zu verschiedenen Strömungssituationen (z.B. Gegenstrombegrenzung) in einem Modell des heißen Strangs eines Druckwasserreaktors gewonnen. Für die Wasser-Dampf-Experimente bei Drücken von bis zu 5 MPa wurde dabei erstmals die neu entwickelte innovative Drucktanktechnologie eingesetzt. Zur Ertüchtigung von CFD-Codes für Zweiphasenströmungen wurde das Inhomogene MUSIG-Modell für Phasenübergänge in Kooperation mit ANSYS erweitert und anhand der o.g. TOPFLOW-Experimente validiert. Außerdem erfolgten Verbesserungen u.a. für die Turbulenzmodellierung in Blasenströmungen sowie Simulationen zur Validierung der Modelle für Blasenkräfte und Blasenkoaleszenz und -zerfall. Ein wesentlicher Fortschritt wurde bei der Modellierung freier Oberflächen durch die Verallgemeinerung des AIAD-Modells erreicht. Die am Heißstrangmodell ermittelten Flut¬kurven können unter Nutzung dieses Modells in guter Übereinstimmung berechnet werden
Scanning near-field infrared microspectroscopy on semiconductor structures
Get PDFNear-field optical microscopy has attracted remarkable attention, as it is the only technique that allows the investigation of local optical properties with a resolution far below the diffraction limit. Especially, the scattering-type near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces without restrictions to the applicable wavelengths. However, its usability is limited by the availability of appropriate light sources. In the context of this work, this limit was overcome by the development of a scattering-type near-field microscope that uses a widely tunable free-electron laser as primary light source.
In the theoretical part, it is shown that an optical near-field contrast can be expected when materials with different dielectric functions are combined. It is derived that these differences yield different scattering cross-sections for the coupled system of the probe and the sample. Those cross-sections define the strength of the near-field signal that can be measured for different materials. Hence, an optical contrast can be expected, when different scattering cross-sections are probed. This principle also applies to vertically stacked or even buried materials, as shown in this thesis experimentally for two sample systems.
In the first example, the different dielectric functions were obtained by locally changing the carrier concentration in silicon by the implantation of boron. It is shown that the concentration of free charge-carriers can be deduced from the near-field contrast between implanted and pure silicon. For this purpose, two different experimental approaches were used, a non-interferometric one by using variable wavelengths and an interferometric one with a fixed wavelength. As those techniques yield complementary information, they can be used to quantitatively determine the effective carrier concentration. Both approaches yield consistent results for the carrier concentration, which excellently agrees with predictions from literature. While the structures of the first system were in the micrometer regime, the capability to probe buried nanostructures is demonstrated at a sample of indium arsenide quantum dots. Those dots are covered by a thick layer of gallium arsenide. For the first time ever, it is shown experimentally that transitions between electron states in single quantum dots can be investigated by near-field microscopy. By monitoring the near-field response of these quantum dots while scanning the wavelength of the incident light beam, it was possible to obtain characteristic near-field signatures of single dots. Near-field contrasts up to 30 % could be measured for resonant excitation of electrons in the conduction band of the indium arsenide dots
Metal Nanoparticles/Nanowires Selfassembly on Ripple Patterned Substrate - Mechanism, Properties and Applications
Get PDFPlasmonic properties of self-assembled silver nanoparticles/nanowires array on periodically patterned Si (100) substrate are reported with special attention on the mechanism of nanoparticles self-assembly. The advantage of this bottom up approach over other self-assembling and lithographic methods is the flexibility to tune array periodicity down to 20 nm with interparticle gaps as low as 5 nm along the ripple.
Ripple pattern have shallow modulation (~2 nm) still particles self-assembly was observed in non-shadow deposition. Therefore adatoms diffusion and kinetics is important on ripple surface for the self-assembly. PVD e-beam evaporation method used for deposition has proven to be superior to sputter deposition due to lower incident flux and lower atom energy. It was found that particles self-assembly largely dependent on angle of incidence, substrate temperature, and deposition direction due to ripple asymmetric tilt. Ostwald ripening observed during annealing on ripples substrate has striking dependency on ripple periodicity and was found to be different compared to Ostwald ripening on flat Si surface.
In-situ RBS measurements of deposited silver on flat and rippled substrate confirmed different sticking of atoms on the two surfaces. The difference between maximum and minimum of the calculated local flux show a peak at an incidence angle of 70o with respect to surface normal. This explains the best alignment of particles at this angle of incidence compare to others.
Self-assembled nanoparticles are optically anisotropic, i.e. they exhibit a direction dependent shift in LSPR. The reason of the observed anisotropy is a direction dependent plasmonic coupling. Different in plane and out of the plane dielectric coefficients calculated by modelling Jones matrix elements, confirms that nanoparticle/nanowire array are biaxial anisotropic (ex ¹ ey ¹ ez). The nanoparticles are predominantly insulating while nanowires are both metallic and insulating depending on the dimension.
Silver nanoparticles/nanowires self-aligned on pre-patterned rippled substrate are presented for the first time as an active SERS substrate. Anisotropic SERS response in such arrays is attributed to different field enhancement along and across the ripples. Strong plasmonic coupling in elongated nanoparticles chain results in significantly higher SERS intensity then spherical nanoparticles/nanowires and non-ordered nanoparticles. Higher SERS intensity across the nanowires array in comparison to along the array (bulk silver) confirms electromagnetic field enhancement (hot-junction) is responsible for SERS phenomenon.
Self-assembly of cobalt nanoparticle on ripple pattern substrate is also reported. Due to less adatom mobility and higher sticking cobalt self-assembly is possible only at much higher temperature. A strong uniaxial magnetic anisotropy was observed not observed for non ordered cobalt particles
Zur Wechselwirkung von Uran mit den Bioliganden Citronensäure und Glucose
Get PDFUm das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden.
Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 μs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz.
Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 μs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV)-Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden.
Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 μs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 μs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung.
Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β 101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β 202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2--Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 μs (1:0:1) und 10 ± 3 μs (2:0:2) bestimmt werden.
Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β 203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β 103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β 1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β 1-31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt.
Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH-Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %.
Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden.
Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log β I=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 μs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert.
Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran-Konzentrationen von 6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können
INSIDER
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