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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars

Franz Habla17.12.2013

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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars

• Mößbauerspektroskopie im Allgemeinen• Mößbauerspektroskopie auf dem Mars– MIMOS 2– Aufbau und Funktionsweise MIMOS 2– Aufgenommene Spektren auf dem Mars

• Ausblick für terrestrische Anwendungen

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Mößbauerspektroskopie

• Rückstoßfreie γ-Strahlungsspektroskopie• Wichtigste Elemente 57Fe, 119Sn, 121Sb und 151Eu• Zerfall von radioaktivem Isotop um γ-Strahlen

zu produzieren• Problem des Rückstoßes(Impulserhaltung)• Dopplereffekt und Mößbauereffekt• Hyperfeinwechselwirkungen

http://titan.minpet.unibas.ch/minpet/vorlesungen.cdc/analyt/mossbauer/mofigur07.gif (Stand 12.12.13)

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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/Fotos/pic/mb2.gif (Stand 9.12.13)

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Aufbau eines Spektrometers

http://www.techniklexikon.net/images/l2699_moessbauer-effekt.gif (Stand 10.12.13)

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Mößbauereffekt• Wegen Impulserhaltung erfahren Quelle und Absorber einen

Rückstoß

• Rückstoß wird so klein wie möglich gehalten wenn Mößbauerelement in Festkörpern bzw. Gittern eingegliedert ist

• Gitterschwingung verhindert Resonanzbedingung

http://chemwiki.ucdavis.edu (9.12.12) 7

Dopplereffekt• Dopplereffekt wird bezweckt durch die Bewegung der Quelle oder des Absorbers• Wenn Absorptionslinie und Emissionslinie übereinander zum liegen kommen

entsteht Absorption.• Absorptionslinie wird von Emissionslinie abgetastet

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Hyperfeine Wechselwirkungen

Hyperfeinwechselwirkungen werden bezweckt durch Wechselwirkungen zwischen der Elektronenhülle und den Atomkernen. Sie sind sowohl in der optischen als auch in der Mößbauerspektroskopie zu finden und werden unterteilt in:

• Isomerieverschiebung• Magnetische Hyperfeinwechselwirkungen• Elektrische Quadrupolaufspaltung

http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physikalische_chemie/app_moess.pdf (9.12.13)

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Isomerieverschiebung• Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Kernladung und

Ladung der Elektronen• Bindungs- und Gesamtenergie hängen von der Größe des

Kerns und dem Zustand ab

• Energie ist proportional zum mittleren Quadrates des Kernradius und der Elektronendichte am Ort des Kerns

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Mag. Hyperfeinwechselwirkungen

• Kern ist ein quantenmechanisches Gebilde mit dem Drehimpuls Iħ

• Angeregte Kernzustände besitzen anderen Kernspin als der Grundzustand

• In äußerem Magnetfeld der Flussdichte B besitzt Spin I genau 2I+1 Einstellungen mit verschiedenen Energien

• Es wird aber kein Magnetfeld erzeugt sondern ein Hyperfeinfeld vom Kern

http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/SVG/Methoden_ac/mb_magnetische_ww.svg (Stand 9.12.13)

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Elektrische Quadrupolaufspaltung

• Elektrisches Quadrupolmoment Q des Kerns zeigt die Abweichung von der Kugelgestalt

• Elektronenladung im Kern sind unterschiedlich verteilt

• Unterschiedliche Orientierungsquantenzahlen, woraus Änderungen der Energien folgt

http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/methoden_I_5.xhtml (Stand 9.12.13)

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• Energieabstand der Linien

• Elektronischer Feldgradient its ein Maß für die Größe der Abweichung der elektrischen Ladungsverteilung um den Mößbauerkern von der kubischen Symmetrie

• -> Aufschlüsse über die Anordnung der Nachbarn des Mößbauer Atoms

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Mößbauerspektroskopie auf dem Mars

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MIMOS 2

• Entwickelt an der Universität Mainz unter Herrn Prof. Goestar Klingelhoefer

• MIniaturisiertes MOSsbauer Spektrometer• Abmessungen 50x50x90 mm• Installiert auf den Mars Rovern „Spirit“ und

„Opportunity“• Landung Januar 2004(7 Monate Flugzeit)

http://marsrover.nasa.gov/mission/images/rover1_detail_500.jpg (Stand 9.12.13)

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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d (Stans 9.12.13)

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Rahmenbedingungen

• Geringes Gewicht• Geringer Stromverbrauch• Mechanische Stabilität• Stabilität über großen Temperaturbereich• Automatisierter Ablauf des Messprogramm´s• Redundantes elektronisches System-> Backscattering Methode der

Mößbauerspektroskopie

http://phobos.chemie.uni-mainz.de/Fotos/Publikationen/kleintud9803b.gif (Stand 9.12.13)

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Aufbau MIMOS 2

• Mößbauer Antrieb• Mößbauerquelle• Detektorsystem

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/Fotos/pics/source1.jpg (Stand 9.12.13)

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Mößbauerquelle

• Effektive Ausbeute durch optimale Geometrie und verwendete Materialien

• Zählrate wird durch kompakten Aufbau erhöht• Abschirmung der direkten Einstrahlung der Quelle auf den

Detektor• Durch Berechnungen ergibt sich folgender Aufbau

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d

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Mößbauer Antrieb

• Funktionsweise eines Doppellautsprechers• IST-Wert der Geschwindigkeit wird durch eine

Spule abgegriffen und über einen Regelverstärker auf das Soll Signal rückgekoppelt

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/mimos.php?ln=d(Stand 15.12.2013)

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Detektorsystem

• Besteht aus Ladungsempfindlichen Vorverstärkern, Linearverstärker, dem Einkanaldiskriminator und Detektor

• Silizium-PIN-Photodioden 9x9mm² und einer von Dicke 500 μm

• Nachweiswahrscheinlichkeit für 14,4 keV Gammaquant 75%

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/merasoil.jpg (Stand 10.12.13)

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http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/adir.jpg (Stand 10.12.13)

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Spektren auf dem Mars

• Spektrum des Marsbodens an der Landestelle des Rovers „Opportunity“ (Meridiani Planum)

• Grün glänzendes Mineral Olivin

-> Boden besteht zum Teil aus feinkörnigem Basalt, einem Typ vulkanischen Gesteins

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/outcrop2.jpg (Stand 10.12.13)

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Endeckung von Jarositen

• Rover „Opportunity“• Mineral Jarosit wurden

gefunden in der Ansammlung von Steinen genannt „El Capitan“

• Gelbe Peaks weisen speziell auf Jarosite hin, die Wasser in Form von Hydroxyl in ihrer Struktur besitzen

-> Wassergetrieben Prozesse existieren auf dem Mars

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/berries.jpg (Stand 10.12.13)

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Entdeckung von Hematit

• Blaue Linie zeigt Daten für eine Stelle Namens „Berry Bowl“, die Gelbe die Stelle „Empty“

• „Berry Bowl“ zeigt eine starke Hematit-Signatur, welches oft in Wasser gebildet wird

http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/merpics/gt.jpg (Stand 10.12.13)

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Entdeckung Goethit

• Rover „Spirit“• Nachweis des Minerals

Goethit im Felsen „clovis“ in der Region „Columbia Hills“

• Goethit enthält Wasser in Form von Hydroxyl

-> frühere Wasseraktivität in der Gegend, die Spirit erforscht

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Anwendungsmöglichkeiten für MIMOS 2

• In der Archäologie als Nachweis der chemischen und mineralogischen Charakterisierung

• In der Geologie kann eine Vorselektion der Gesteine stattfinden

• Korrosionsmessungen• Schnelle Qualitätskontrolle von Stahl

Quellen• Naumer, Hans und Heller,Wolfgang(1997).Untersuchungsmethoden

in der Chemie, Einführung in die moderne Analytik. 3. Auflage, Georg Thieme Verlag Stuttgart New York

• http://phobos.chemie.uni-mainz.de/mimos.php(Stand 4.12.13)• http://www.lpi.usra.edu/meetings/LPSC99/pdf/1813.pdf(Stand

5.12.13)• https://archive.org/details/nasa_techdoc_20050170611(Stand

3.12.13)• http://marsrovers.nasa.gov/home/index.html(Stand 4.12.13• http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/

methoden_I_5.xhtml(Stand 8.12.13)• http://iacgu32.chemie.uni-mainz.de/htm/Publikationen/

artikeldoc.htm(Stand 5.12.13)

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