On-Line isotopmassavskiljare

ISOLDE Facility Logotyp
Isolde experimenthall.

ISOLDE Radioactive Ion Beam Facility , är en isotopseparatoranläggning online belägen i hjärtat av CERN -acceleratorkomplexet på den fransk-schweiziska gränsen. Namnet på anläggningen är en akronym för I sotope S eparator O n L ine DE vice. ISOLDE-anläggningen skapades 1964 och började leverera radioaktiva jonstrålar till användare 1967. Ursprungligen belägen vid SynchroCyclotron-acceleratorn (CERN:s första partikelaccelerator någonsin), har anläggningen uppgraderats flera gånger, framför allt 1992 när hela anläggningen flyttades till ansluten till CERNs ProtonSynchroton Booster (PSB). ISOLDE går in i sitt sjätte decennium och är för närvarande den äldsta anläggningen som fortfarande är i drift vid CERN. Från de första banbrytande isotopseparationsstrålarna (ISOL) till de senaste tekniska framstegen som möjliggör produktion av de mest exotiska arterna, gynnar ISOLDE ett brett utbud av fysiksamhällen med tillämpningar som täcker kärnfysik, atomär, molekylär och fast tillståndsfysik, men också biofysik och astrofysik, såväl som högprecisionsexperiment som letar efter fysik bortom Standardmodellen. Anläggningen drivs av ISOLDE Collaboration, som omfattar CERN och femton (mest) europeiska länder. Från och med 2019 kommer mer än 800 experimentalister runt om i världen (inklusive alla kontinenter) till ISOLDE för att utföra typiskt 45 olika experiment per år.

Radioaktiva kärnor produceras vid ISOLDE genom att skjuta en högenergistråle (1,4GeV) av protoner som levereras av CERNs PSBooster-accelerator på ett 20 cm tjockt mål. Flera målmaterial används beroende på de önskade slutliga isotoper som efterfrågas av experimentalisterna. Interaktionen mellan protonstrålen och målmaterialet producerar radioaktiva arter genom spallation , fragmentering och fissionsreaktioner . De extraheras därefter från huvuddelen av målmaterialet genom termiska diffusionsprocesser genom att värma målet till cirka 2000 grader. Cocktailen av producerade isotoper filtreras slutligen med en av ISOLDEs två magnetiska dipolmassseparatorer för att ge den önskade isobaren av intresse. Den tid som krävs för att extraktionsprocessen ska inträffa dikteras av naturen hos den önskade isotopen och/eller den hos målmaterialet och sätter en lägre gräns för halveringstiden för isotoper som kan produceras med denna metod, och är typiskt storleksordningen några millisekunder. När de har extraherats, riktas isotoperna antingen till ett av flera kärnfysikexperiment med låg energi eller ett isotopskördsområde. En uppgradering av den redan existerande REX-postacceleratorn, det senaste tillskottet till ISOLDE-anläggningen är HIE-ISOLDE supraledande linac som tillåter återacceleration av radioisotoperna till högre energier.

Bakgrund

Antalet protoner i en kärna avgör vilket grundämne den tillhör: för att ha en neutral atom cirkulerar samma antal elektroner runt atomkärnan och dessa definierar grundämnets kemiska egenskaper. Ett specifikt grundämne kan dock förekomma med olika "kärnor", som var och en har samma antal protoner men olika antal neutroner . Dessa variationer av grundämnet kallas dess isotoper . Till exempel kallas tre isotoper av grundämnet kol kol-12, kol-13 och kol-14; som har 6, 7, 8 neutroner. Siffrorna som läggs till efter elementnamnet är isotopens massatal dvs summan av antalet protoner och neutroner i kärnan.

Tabell över nuklider

Varje isotop av ett element har olika stabilitet beroende på deras antal protoner och neutroner. Ordet nuklid används för att hänvisa till isotoper med avseende på deras stabilitet och kärnenergitillstånd . Stabila nuklider kan hittas i naturen men instabila (dvs radioaktiva) inte eftersom de spontant sönderfaller till mer stabila nuklider. Forskare använder acceleratorer och kärnreaktorer för att producera och undersöka radioaktiva nuklider. Neutron-till-proton-förhållandet har en stark inverkan på egenskaperna hos den aktuella isotopen. Mest anmärkningsvärt, eftersom detta förhållande starkt avviker från enhet, blir isotoperna vanligtvis allt mer kortlivade. Den tid som krävs för att förlora hälften av en population av en given nuklid genom radioaktiva sönderfall, den så kallade halveringstiden , är ett mått på hur stabil en isotop är.

I likhet med det periodiska systemet för grundämnen för atomer är nuklider vanligtvis visuellt representerade på en tabell (det så kallade Segré-diagrammet eller diagrammet av nuklider) där protonnumret är representerat på y-axeln medan x-axeln representerar neutronnumret .

Historia

Utgrävning av underjordiskt försöksområde för ISOLDE

År 1950 upptäckte två danska fysiker Otto Kofoed-Hansen och Karl-Ove Nielsen en ny teknik för att framställa radioisotoper som möjliggjorde framställning av isotoper med kortare halveringstider än tidigare metoder. Tio år senare, i Wien , vid ett symposium om att separera radioisotoper, publicerades planer för en "on-line" isotopseparator. Med hjälp av dessa planer byggde CERNs Nuclear Chemistry Group (NCG) en prototyp av on-line massseparator kopplad till mål och jonkälla, som bombarderades av en protonstråle som levererades av CERN:s Synchro- Cyclotron . Testet var en framgång och visade att Synchro-Cyclotron var en lämplig maskin för on-line produktion av sällsynta isotoper. 1964 accepterades ett förslag om ett onlineprojekt för isotopavskiljare av CERN:s generaldirektör och ISOLDE-projektet började.

"Finanskommittén" för projektet inrättades med fem ledamöter och utökades sedan till 12. Eftersom termen "ekonomikommittén" hade andra konnotationer, beslöt man att "tills ett bättre namn hittats" kalla projektet ISOLDE och kommittén för ISOLDE-kommittén. I maj 1966 stängdes Synchro-Cyclotron av för några större modifieringar. En av dessa modifieringar var byggandet av en ny tunnel för att skicka protonstrålar till en framtida underjordisk hall som skulle tillägnas ISOLDE. 1965, när den underjordiska hallen vid CERN grävdes ut, byggdes isotopseparatorn för ISOLDE i Aarhus . Separatorkonstruktionen gjorde goda framsteg 1966 och den underjordiska hallen stod klar 1967. Den 16 oktober 1967 genomfördes det första experimentet och framgångsrikt.

Kort efter att ISOLDE-experimentprogrammet startade planerades några stora förbättringar för SC. 1972 stängde SC ner för att uppgradera sin strålintensitet genom att ändra sitt radiofrekvenssystem . SC-förbättringsprogrammet ökade den primära protonstrålens intensitet med ungefär en faktor 100. För att kunna hantera denna högintensiva ISOLDE-anläggning behövde också vissa modifieringar. Efter nödvändiga modifieringar lanserades den nya ISOLDE-anläggningen även känd som ISOLDE 2 1974. Dess nya måldesign i kombination med den ökade strålintensiteten från SC ledde till betydande förbättringar av antalet producerade nuklider. Efter en tid började dock den externa strålströmmen från SC vara en begränsande faktor. Samarbetet diskuterade möjligheten att flytta anläggningen till en accelerator som kunde nå högre strömvärden men beslutade att bygga ytterligare en separator med ultramodern design, för anläggningen. Den nya högupplösta separatorn, ISOLDE 3, var i full användning i slutet av 80-talet. 1990 installerades en ny jonkälla vid namnet Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) vid anläggningen för att selektivt och effektivt producera radioaktiva strålar.

Industrirobotar som används i ISOLDE-anläggning

Synchro -Cyclotron togs ur drift 1990, efter att ha varit i drift i mer än tre decennier. Som en konsekvens beslutade samarbetet att flytta ISOLDE-anläggningen till Proton Synchrotron och placera målen i en extern stråle från dess 1 GeV-booster. Byggandet av den nya experimenthallen ISOLDE startade cirka tre månader före avvecklingen av Synchro-Cyclotron . Med flytten kom också flera uppgraderingar. Det mest anmärkningsvärda är installationen av två nya magnetiska dipolmassavskiljare. En universalseparator med bara en magnet och den andra är en högupplöst separator med två magneter. Den senare är en rekonstruerad version av ISOLDE 3. Det första experimentet vid den nya anläggningen, känd som ISOLDE PSB, utfördes den 26 juni 1992. I maj 1995 installerades två industrirobotar i anläggningen för att hantera målen och jonen källenheter utan mänsklig inblandning.

För att diversifiera den vetenskapliga verksamheten vid anläggningen invigdes ett postacceleratorsystem kallat REX-ISOLDE (Radioactive beam EXperiments at ISOLDE) vid anläggningen 2001. Med detta nya tillägg, kärnreaktionsexperiment som kräver en radioaktiv jonstråle med hög energi kunde nu utföras på ISOLDE.

Anläggningsbyggnaden byggdes ut 2005 för att möjliggöra fler experiment. ISCOOL, en jonkylare och buntare, som ökar strålkvaliteten för experiment installerades vid anläggningen 2007. Vidare godkändes HIE-ISOLDE ( H igh I ntensity and E nergy Upgrade), ett projekt för att uppgradera strålens intensitet och energi, i 2009 och har genomförts i flera etapper. I slutet av 2013 startade byggandet av en ny anläggning för medicinsk forskning som heter CERN MEDICIS ( MEDIC al I sotopes C ollected from IS OLDE). Anläggningen är designad för att fungera med protonstrålar som redan har passerat ett första mål. Av de infallande strålarna är det bara 10 % som faktiskt stoppas i målen och uppnår sitt mål, medan de återstående 90 % inte används.

Under 2013, under Long Shutdown 1 , revs tre ISOLDE-byggnader. De har återuppförts som en ny singelbyggnad med ett nytt kontrollrum, ett datalagringsrum, tre laserlaboratorier, ett biologi- och materiallaboratorium och ett rum för besökare. Ytterligare en tillbyggnad för MEDICIS-projektet och flera andra utrustade med el-, kyl- och ventilationssystem som ska användas för HIE-ISOLDE-projektet i framtiden byggdes också. Dessutom har robotarna som installerats för hantering av radioaktiva mål ersatts med modernare robotar. Under 2015 kunde en radioaktiv isotopstråle för första gången accelereras till en energinivå på 4,3 MeV per nukleon i ISOLDE-anläggningen tack vare HIE-ISOLDE-uppgraderingarna. I slutet av 2017 producerade CERN-MEDICIS-anläggningen sina första radioisotoper.

Anläggning och koncept

En modell av ISOLDE-anläggning (2017)

Innan ISOLDE transporterades de radioaktiva nukliderna från produktionsområdet till laboratoriet för undersökning. I ISOLDE, från produktion till mätning, är alla processer kopplade, eller med andra ord, de är "on-line". Radioaktiva nuklider produceras genom att bombardera ett mål med protoner från en partikelaccelerator. Sedan joniseras de med hjälp av yt-, plasma- eller laserjonkällor innan de separeras enligt deras massor med hjälp av magnetiska dipolmassavskiljare. Efter att ha producerat strålen från den föredragna isotopen kan strålen kylas och/eller buntas för att minska strålens emittans och energispridning. Därefter riktas strålen till antingen lågenergiexperiment eller en postaccelerator för att öka dess energi.

På Isolde-anläggningen kommer huvudstrålen för reaktioner från Proton Synchrotron . Denna inkommande protonstråle har ett energivärde på 1,4 GeV och dess genomsnittliga intensitet är upp till 2 μA. Anläggningen har två separatorer. En av dem kallas generalseparatorn (GPS) och som är gjord med en magnet av H-typ med en böjningsradie på 1,5 m och en böjvinkel på 70°. Dess upplösning är cirka 800. Den andra separatorn kallas högupplöst separator (HRS) är gjord av två C-typ dipolmagneter. Deras böjningsradier är 1 m och böjningsvinklarna är 90° och 60°. Den totala upplösningen för dessa två magneter kan nå värden högre än 7000.

Klass A-laboratorierna, byggnader för HIE-ISOLDE- och MEDICIS-projekten och byggnad 508 som fungerar som hem för såväl THE ISOLDE-kontrollrum som andra verksamheter kan ses på skissen. 1,4 GeV protonstrålen från PS Booster, som kommer från höger på skissen, riktas till en av separatorerna. Den allmänna separatorn skickar strålar till ett elektroniskt ställverk som gör det möjligt för forskare att utföra upp till tre samtidiga experiment. Den högupplösta separatorn med två magneter och strålkorrigerande element kan användas för experiment som kräver högre massupplösningsvärden. En gren från GPS-ställverket och HRS är anslutna till en gemensam central strållinje som används för att ge stråle till olika experimentella uppsättningar dedikerade till kärnspektroskopi och kärnorientering , laserspektroskopi , högprecisionsmasspektrometri, fasta tillstånd och ytstudier .

De traditionella jonkällorna på ISOLDE är baserade på yt- eller plasmajoniseringstekniker . Utöver dessa tekniker används också en laserbaserad jonkälla som kallas RILIS, som möjliggör ett elementkänsligt urval av isotoper för vissa element. För att kunna leverera strålar med högre kvalitet och ökad känslighet används en jonkylare och buncher kallad ISCOOL i HRS-separatorn. Allt som allt ger ISOLDE-anläggningen 1300 isotoper från 75 grundämnen i det periodiska systemet.

Projektet CERN-MEDICIS, som är en del av ISOLDE-anläggningen, pågår för att leverera radioaktiva isotoper för medicinska tillämpningar. Experimenten på ISOLDE-anläggningen använder ungefär hälften av protonerna i strålarna från PS Booster. Strålarna bevarar 90 % av sina intensiteter efter att ha träffat ett standardmål i anläggningen. CERN-MEDICIS-projektet använder de återstående protonerna på ett mål som är placerat bakom HRS-målet för att producera radioisotoper för medicinska ändamål. Det bestrålade målet förs sedan till MEDICIS-byggnaden med hjälp av en automatiserad transportör för att separera och samla isotoperna av intresse.

Att accelerera dem till högre energinivåer är en bra teknik för att kunna undersöka radioaktiva isotoper ytterligare. För detta ändamål används en postaccelerator kallad REX-ISOLDE, som accelererar de nyproducerade radioisotoperna upp till 3 MeV, vid ISOLDE-anläggningen. De accelererade isotoperna riktas mot måluppsättningen av ett kärnspektroskopiexperiment , som inkluderar laddade partikeldetektorer och MINIBALL gammastrålningsdetektor . REX-ISOLDE-projektet, som ursprungligen var tänkt att accelerera ljusisotoper, har klarat detta mål och tillhandahållit postaccelererade strålar med ett bredare massområde, nämligen från 6 He upp till 224 Ra. REX-ISOLDE har levererat accelererade strålar av mer än 100 isotoper av mer än 30 element sedan dess driftsättning.

Att kunna tillgodose de ständigt ökande behoven av högre kvalitet, intensitet och energi hos produktionsbalken är mycket viktigt för anläggningar som ISOLDE. Som det senaste svaret för att tillfredsställa dessa behov har HIE-ISOLDE uppgraderingsprojekt startats. På grund av dess etappplanering kommer uppgraderingsprojektet att genomföras med minsta möjliga påverkan på de experiment som fortsätter i anläggningen. Projektet inkluderar en energiökning för REX-ISOLDE upp till 10 MeV samt resonator och kylare, förbättring av ingångsstrålen från PS Booster, förbättringar av mål, jonkällor och massseparatorer. Från och med 2018 har de flesta av energiuppgraderingarna, inklusive att öka REX-ISOLDE-energin till 10MeV, slutförts och fas två är avslutad. Uppgraderingar kring intensitet planeras att göras i fas tre. Som ett toppmodernt projekt förväntas HIE-ISOLDE utöka forskningsmöjligheterna i ISOLDE-anläggningen till nästa nivå. När den är färdig kommer den uppgraderade anläggningen att kunna vara värd för avancerade experiment inom områden som kärnfysik , kärnastrofysik .

Fasta tillståndsfysiklaboratorium

Kopplad till ISOLDE är i byggnad 508 ett av de största solid-state fysiklaboratorierna för störd vinkelkorrelation som får sin stora finansiering från BMBF . Den använder cirka 20-25% av ISOLDEs stråltid. Dess huvudsakliga fokus är studiet av funktionella material, såsom metaller, halvledare, isolatorer och biomolekyler. Den huvudsakliga användningen av exotiska PAC-isotoper, såsom 111m Cd, 199m Hg, 204m Pb samt övergångsmetallisotoper är viktiga för materialforskning. Eftersom många isotoper har halveringstider som ligger inom intervallet minuter och timmar, måste experiment utföras på plats. Ytterligare metoder är spårämnesdiffusion , online- Mössbauer-spektroskopi ( 57 Mn) och fotoluminescens med radioaktiva kärnor.

Resultat och upptäckter

Nedan är listan över några fysikaktiviteter som utförs på ISOLDE-anläggningen.

  • Förlängning av tabellen över nuklider genom att upptäcka nya isotoper
  • Högprecisionsmätningar av kärnkraftsmassor
  • Upptäckt av form häpnadsväckande i ljusa Hg-isotoper
  • Produktion av isomera strålar
  • Upptäckt av beta-fördröjd multipartikelemission
  • Studier av kärnresonanssystem bortom dropplinjen
  • Bevis på existensen av en nukleär halostruktur
  • Syntes av väntpunktskärnor
  • Atomspektroskopi av francium
  • Studier om beta-neutrino korrelationer
  • Första observationer av kortlivade päronformade atomkärnor
  • Mätning av massa och laddningsradier för exotiska kalciumkärnor
  • Upptäckten av nya magiska siffror och försvinnandet av några väletablerade skalförslutningar

Vidare läsning

externa länkar

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=On-Line_Isotope_Mass_Separator&oldid=1119033566 "