Zusammenfassung

In einem früher veröffentlichten FZKA-Bericht wurde die Eignung der Laserablation-ICP-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse an simulierten hochaktiven Abfallgläsern nachgewiesen. Die Reproduzierbarkeit der dort beschriebenen Analysenergebnisse blieb jedoch bedingt durch die schlechtere Ablationseffizienz und wegen thermischer Fraktionierungsprozesse bei der Laser-Wellenlänge von 1064 nm im Infrarotbereich unbefriedigend. Das sich bei der IR-Ablation über der Probenoberfläche bildende Plasma schirmt die Laserstrahlung ab und begrenzt die direkte Ablation.

Diese Effekte können durch den Einsatz eines UV-Lasers reduziert werden. Der vorhandene Nd:YAG-Laser wurde deshalb mit einer Frequenzvervielfachungseinheit (1064, 532, 355, 266 nm) ausgerüstet, um bezüglich der Wellenlängeneinstellung variabel zu sein.

Im ersten Teil des Berichtes wird die Optimierung der Laserparameter zum effektiven und reproduzierbaren Probenabtrag für die massenspektrometrische Detektion mit ICP-MS beschrieben.

Im zweiten Teil werden die Analysenergebnisse der Laserablationsexperimente an einem zertifizierten Referenzglas (NIST 610) und an einem technischen simulierten HAW-Glas vorgestellt. Messergebnisse nach Ablation bei einer Laserlichtwellenlänge von 266 und 1064 nm werden miteinander verglichen.

Bei der Durchführung der Messungen wurde das Referenzglas NIST 610 als Kalibrierstandard und ²⁹Si als interner Standard zur Kompensation von Signalschwankungen verwendet.

Das bessere Ablationsverhalten bei einer Wellenlänge von 266 nm bewirkt eine deutliche Verbesserung sowohl der Reproduzierbarkeit als auch der Richtigkeit der Elementanalyse mittels ICP-MS.

Optimization of laser parameters for elemental analysis in simulated high radioactive waste glasses by means of laserablation-ICP-mass spectrometry

Summary

In a previously published FZKA-report the application of laser ablation inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) for the analysis of trace elements in glasses resulting from the vitrification of simulated high level liquid radioactive waste (WAK-glass) was described. It was found, that the reproducibility of the analytical results obtained with a Nd:YAG laser operating at infrared wavelength (1064 nm) was relatively poor due to low ablation efficiency and fractionation effects. One reason is that during the IR ablation the plasma formed above the sample shields the laser radiation and limits the direct ablation.

These effects can be reduced using shorter laser light wavelengths (UV), particularly the 266 nm wavelength. Therefore, the Nd:YAG laser was rebuilt and equipped with a harmonic generator for frequency doubling, tripling and quadrupling in order to produce wavelengths of 532, 355 and 266 nm.

The first part of the paper gives a detailed description of the optimization of laser parameters for effective and reproducible evaporation of sample material. The second part presents results of laser ablation experiments using standard reference glass (NIST 610) and technical glass samples and compares the analytical results obtained for ablation with 1064 and 266 nm laser light wavelength. In the experiments the NIST 610 reference glass was used for calibration and ²⁹Si was taken as an internal standard to compensate for signal drift and differences in material transport efficiency. The better ablation characteristics of the UV laser show a clear improvement for the analysis of trace elements by ICP-MS.