Edelgaslabor

Die Edelgase (englisch auch „rare gases“) Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon sind chemisch inert. Aufgrund ihrer Volatilität tendieren sie bevorzugt zu Gas- bzw. Fluidphasen und können daher als Tracer für Ursprung und Transport der Fluide verwendet werden. In Gestein ist ihre Konzentration meist sehr gering; typisch sind ~10–9 bis 10–6 cm3 STP/g für He und Ar (1 cm3 STP entspricht 2.7x1019 Atomen) bzw. 10–13 bis 10–10 cm3 STP/g für Ne, Kr und Xe.

Daher wird ihre Häufigkeit und Isotopenzusammensetzung durch Kernprozesse wie radioaktiven Zerfall oder natürliche Kernreaktionen messbar verändert, so dass sie für Datierungen eingesetzt werden können (z.B. U/Th-4He, 40K-40Ar, Oberflächendatierung mit kosmogenen Nukliden). Im Lauf der Erdgeschichte haben solche Prozesse die Edelgas-Isotopenzusammensetzung in verschiedenen irdischen Reservoirs (Mantel, Kruste, Atmosphäre) verändert. Die Isotopensignaturen liefern daher wichtige Informationen über die Herkunft und die Geschichte einer Gesteins- oder Fluidprobe.

 

Ausrüstung:

Im GFZ-Edelgaslabor stehen die folgenden Geräte zur Verfügung:

Zwei Edelgasmassenspektrometer (MM5400 und Helix SFT), jeweils ausgestattet mit

  • einem Ultrahochvakuum-Ofen zum Aufheizen und Schmelzen von Gesteinsproben
  • einer Gasreinigungsanlage zur Entfernung chemisch aktiver Gase
  • einem Adsorptionskryostaten zur Trennung der Edelgase voneinander
  • einem Pipettensystemen für die Eichung mit Hilfe von Standardgas


Ausserdem:

  • eine Wasserentgasungsanlage mit der Möglichkeit zum Anschluss von Gasproben
  • ein Ulrahochvakuum-Probenknacker zur mechanischen Gasextraktion aus Gesteinsproben

 

Die Edelgasmassenspektrometer MM5400 und Helix SFT

MM5400 und Helix SFT sind Sektorfeld-Massenspektrometer, die von der Firma ThermoFisher Scientific bzw. ihren Vorgängerfirmen für die Edelgasanalyse optimiert wurden. Die Hauptkomponenten sind:

  • Ionenquelle: In einer modifizierten Nier-Typ-Ionenquelle (“Bright Source”) werden die Gasatome durch Elektronenbeschuss ionisiert.
  • Ionenoptik: Die Ionen werden mittels einer Hochspannung von 4.5 kV beschleunigt und in einem System elektrischer Linsen fokussiert.
  • Magnet: In einem magnetischen Sektorfeld von 90° werden die Ionen entsprechend ihrem Masse/Ladungsverhältnis abgelenkt. Wenn das Magnetfeld auf einen bestimmten Wert eingestellt wird, können Ionen eines bestimmten Masse/Ladungsverhältnisses die Detektoren erreichen, während alle anderen auf die Wandungen des Massenspektrometers treffen. Bei bestimmten Magnetfeldeinstellungen können daher bestimmte Edelgasisotope detektiert und ihre Häufigkeiten bestimmt werden. 
  • Detektoren: Relativ grosse Ionenströme (10–13 bis 10–10 A) werden in einem Faraday-Auffänger gemessen, kleinere werden in einem Sekundärelektronen-Vervielfacher verstärkt und mittels Ionenzählung bestimmt.

 

Sowohl das ältere MM5400 als auch das neuere Helix SFT (Beschaffungsjahr 2012) erreichen für den Sekundärelektronen-Vervielfacher eine Auflösung m/Δm > 600, die für die Trennung von 3He+ (3,016 amu) von HD+ (3,022 amu) und somit eine genaue Bestimmung des 3He/4He-Verhältnisses erforderlich ist. Das Helix SFT bietet darüber hinaus mit seinem „Split Flight Tube“ (aufgespaltenes Flugrohr) die Möglichkeit, 3He und 4He simultan zu detektieren. Ein eingebautes elektrostatisches Filter unterdrückt dabei gestreute 4He-Ionen im 3He-Strahl, so dass auch extrem geringe 3He/4He-Verhältnisse mit grosser Genauigkeit bestimmt werden können. Die schwereren Edelgase Ne, Ar, Kr und Xe werden in beiden Massenspektrometer-Typen im „Peak-Jump“-Verfahren gemessen, d.h. die einzelnen Isotope werden nacheinander durch entsprechende Einstellung des Magnetfelds detektiert.

 

Ultrahochvakuum-Ofen und Probenknacker

Für die Gasextraktion aus Gesteinsproben stehen zwei doppelwandige Ultrahochvakuum-Öfen mit Widerstandsheizung zur Verfügung. In einem externen Vakuumbereich (~10–6 mbar) umgibt ein zylindrisches Heizelement aus Graphit den Tantal-Tiegel. Im Ultrahochvakuumsystem (~10–8 mbar) im Innern des Tantal-Tiegels schützt ein Molybdäneinsatz den Tiegel vor Schmelzablagerungen und Korrosion. Die Proben werden aus einem Karussell mit 14 bzw. 21 Positionen in den Tiegel abgeworfen und können bis auf maximal 2000°C erhitzt werden. Ein W/Re-Thermoelement dient zur Kontrolle der Temperatur.

Eine mit einem Wellbalg abgedichtete Spindelpresse wird benutzt, um Gesteinsproben unter Ultrahochvakuum-Bedingungen mechanisch aufzubrechen. Die Probe wird wiederholt zwischen zwei Hartmetall-Platten zerdrückt, bis kein Knirschen mehr zu hören oder zu fühlen ist. Durch dieses Verfahren werden Gase aus Fluideinschlüssen oder Bläschen ausgetrieben. Die Proben werden einzeln geladen oder können aus einem Glasarm abgeworfen werden. Adsorbierte atmosphärische Gase werden vor der Gasextraktion durch 24 h Heizen auf 100°C entfernt.

 

Wasserentgasungs-Anlage

Wasser wird in Kupferrohren von 10 mm Aussendurchmesser beprobt, die mit Edelstahlklemmen gasdicht verschlossen werden. Nachdem ein Rohr an die Entgasungsanlage angeschlossen und der Anschluss auf ~10–3 mbar gepumpt worden ist, wird die untere Klemme geöffnet und das Wasser in einen Glaskolben abgelassen. In einem Ultraschallbad wird das Wasser im Kolben während 15 Minuten entgast. Eine Kühlfalle hinter einer Edelstahlkapillare wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt (-196°C), so dass sich ein Druckgradient zwischen dem Extraktionsgefäss und der Kühlfalle aufbaut, wodurch ein laminarer Strom von H2O-Gas durch die Kapillare erzeugt wird. Die Edelgase werden von diesem Strom mitgerissen und quantitativ an die Kühlfalle überführt, zusammen mit <5% des Wassers. Die Gase werden anschliessend in ein grösseres Volumen expandiert, und ein geeigneter Volumenanteil wird für die Edelgasanalyse verwendet.

Gasbehälter werden direkt an ein Pipettensystem der Anlage angeschlossen. Eine Gaspipette wird in die Anlage expandiert, und auch in diesem Fall wird ein geeigneter Anteil für die Edelgasanalyse abgetrennt.

 

Gasreinigungsanlage und Adsorptionskryostaten

In der Gasreinigungsanlage werden kondensierbare Gase wie H2O zuerst in einer mit Trockeneis gekühlten Kühlfalle ausgefroren. Andere chemisch aktive Gase (z.B. O2, N2, CO2, H2, Kohlenwasserstoffe usw.) werden nacheinander in zwei Titanschwamm- und zwei ZrAl- („SAES“-) Gettern absorbiert. Der verbleibende Untergrund an chemisch aktiven Gasen wird während der Messung durch weitere ZrAl-Getter im Massenspektrometer niedrig gehalten.

Die Adsorptionskryostaten erreichen durch Expansionskühlung in einem geschlossenen Kreislauf von komprimiertem Helium Temperaturen bis 12 K (-261°C). Bei dieser Temperatur werden alle Edelgase, einschliesslich Helium, physikalisch an Aktivkohle oder Edelstahlfritte adsorbiert. Durch schrittweises Hochheizen werden die Edelgase einzeln freigesetzt, so dass jedes für sich ins Massenspektrometer eingelassen und analysiert werden kann. Damit werden gegenseitige Störungen vermieden, die die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen könnten.

 

 

 

Kontakt

Wissenschaftler
Dr.Samuel Niedermann
Anorganische und Isotopengeochemie
Telegrafenberg
Gebäude B, Raum 321
14473Potsdam
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