Laser-induzierte Breakdown-Detektion von Kolloiden (LIBD)

Die laserinduzierte Breakdown-Detektion (LIBD) wurde zur direkten, hochempfindlichen Quantifizierung von Nanopartikeln in Flüssigkeiten (aquatische Kolloide) entwickelt. Im Vergleich zu auf Lichtstreuung basierenden Methoden hat sie den Vorteil einer um mehrere Größenordnungen höheren Empfindlichkeit, insbesondere für Partikel < 100 nm (Nachweisgrenze bei ca 10.000 part/ml)

Das Prinzip basiert auf der Erzeugung eines dielektrischen Zusammenbruchs (Breakdown oder Plasma) im Fokus eines energiereichen gepulsten Laserstrahls. Da die Intensitätsschwelle zur Breakdown-Auslösung in fester Materie niedriger liegt als in Flüssigkeiten, werden bei geeigneter Laser-Pulsenergie Breakdown-Ereignisse selektiv durch die im Fokusvolumen anwesenden Partikel ausgelöst. Diese Plasmaemission oder die hierbei entstehende Druckwelle wird mit einem rechnergesteuerten Bildaufnahme- und Auswerteverfahren bzw. einem photoakustischen Sensor detektiert. Aufgrund einer Kalibrierung mit monodispersen Partikel-Standards werden mittlere Größe und Konzentration der Kolloide bestimmt. Mit der akustischen Detektion ist eine Bestimmung der Größenverteilung über einen Bereich zwischen 15 nm und 1000 nm möglich.

Die Anwendungen der LIBD lassen sich in zwei Hauptbereiche aufgliedern. Untersuchung von (A) Eigenkolloiden, d.h. in unserem Fall Kolloide, deren Hauptbestandteil Radionuklide sind. Untersucht werden Bildung, Stabilität und Aggregationsverhalten an Zirconium, Thorium, Plutonium und Curium zur Gewinnung thermodynamischer Löslichkeitsdaten. Diese sind wichtig für die Beschreibung chemischer Vorgänge im Nahfeld eines Endlagers. (B) Pseudokolloide, d.h. an natürliche Kolloide lagern sich einzelne oder wenige Radionuklide an. Da Kolloide in natürlichen Wässern mobil sind, kann die Bildung von Pseudokolloiden zu unerwünschtem Radionuklidtransport führen. Hier kommt eine mobile LIBD-Anlage zur geochemischen Charakterisierung von Grundwässern unter in-situ-Bedingungen zum Einsatz. Mit einer optischen Messzelle für hydrostatischen Druck bis zu 50 bar werden Untersuchungen unter realen Endlagerbedingungen durchgeführt.

 

Ansprechpartner :

 

Tobias Hippel    

+49 721 608 29333

 

LIBD Aufbau
Abb.1: LIBD-Aufbau zur Messung von Partikelgrößenverteilungen. Der gegenläufige rote Laser dient der reproduzierbaren Justage. Das Licht zur Breakdownerzeugung kann wahlweise auch über eine Faser in die Messzelle eingekoppelt werden (Inlay).
Mobile LIBD Anlage
Abb.2: Kolloiduntersuchungen im Untertage-Labor in Äspö (Schweden). Unsere mobile LIBD-Anlage erlaubt in-situ Messungen im Feldversuch. Dies ist wichtig, um Änderungen von Kolloidgehalt und- und Größenverteilung bei Transport und Lagerung zu vermeiden.