Fachbereich 14 - Geowissenschaften
Institut für Planetologie
Analytische Planetologie

PIXE-Analytik interplanetarer Staubteilchen

Der Schwerpunkt unserer Arbeit an der Heidelberger Protonenmikrosonde war, die Techniken PIXE, RBS und STIM für die quantitative und zerstörungsfreie Bestimmung der Neben- und Spurenelementgehalte in Mikrobereichen (fast) beliebigen Probenmaterials weiterzuentwickeln. Die Verbesserungen resultierten in einer deutlichen Erhöhung der Empfindlichkeit und gleichzeitig in einer signifikanten Verkleinerung des Protonenstrahlflecks auf bis zu 0.6 µm. Mit einer neuen Methode lassen sich ohne die bisherigen Beschränkungen und Vorgaben Verteilungbilder erhalten und die Konzentrationen (fast) beliebiger Elemente in Mikrobereichen messen. Mit dem neuen Pixelmode wird nun nach erfolgter Messung für eine beliebig geformte Probenfläche die Elementzusammensetzung bestimmt. Der Pixelmode erlaubt ebenfalls erstmals, die unvermeidbare Bewegung der Probe relativ zum Strahlfleck zu korrigieren, die sog. Shiftkorrektur. Als erste Anwendung dieser neuen Möglichkeiten wurden einzelne Mikro-Minerale in interplanetaren Staubteilchen (IDPs) analysiert. Mit der verbesserten Analysemethode wurden drei IDPs erfolgreich untersucht, was an einem Beispiel demonstriert werden soll: Ein Olivinkörnchen im einem IDP hat eine Oberflächendimension von 2.8 x 2.1 µm² und eine - mit RBS bestimmte - Flächendichte von 113 µg/cm², was einer Dicke von 0.7 µm entspricht. In dieser "Winzigkeit" von 43 fg Probenmaterial wurde zerstörungsfrei die Anwesenheit von 3.7 Millionen Zink-Atomen mit einer Genauigkeit von 30% nachgewiesen! Dabei hat sich die Probe während der 8-stündigen Meßzeit um ca. 10 µm relativ zum Protonenstrahlfleck bewegt. Nun können mit dem kombinierten Einsatz aller Komponenten der Protonenmikrosonde, PIXE, RBS und STIM, die Verteilung und quantitativ die Konzentration der Spurenelemente in einzelnen Mineralen eines interplanetaren Staubteilchens bestimmt werden. Diese Ergebnisse stellen eine wesentliche Ergänzung zu bereits vorhandenen SEM-EDX und TOF-SIMS Ergebnissen dar. Es muß allerdings betont werden, daß bisher eine gemeinsame Interpretation der PIXE, SEM und TOF-SIMS-Daten durch die sehr unterschiedlichen Informationstiefen erschwert ist. Erst danach ist eine umfassende kosmochemische Interpretation aller Analysen einzelner IDPs und damit die Aufklärung ihrer Geschichte möglich. Es wird erwartet, daß die Mikro-Mineralchemie von asteriodalen und kometaren Staubteilchen wegen der unterschiedlichen Temperaturverläufe in unterschiedlichen Regionen des frühen Sonnensystems unterschiedlich ist. Wenn es gelingt, kometare IDPs eindeutig als solche zu identifizieren, ist erstmals der direkte Zugriff zu den Materialien, zu den Umweltbedingungen und zu den Prozessen im äußeren und frühen Solarnebel möglich.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Christian Wies, Detlef Rost, Thomas Stephan, Elmar K. Jessberger

Veröffentlichungen:

Wies C., Jessberger E. K., Klöck W., Maetz M., Rost D., Stephan T., Traxel K., and Walanios A. (2001): Mineral specific trace element contents of interplanetary dust particles. Nuclear Inst. Meth. B 181, 539-544.