Zum Inhalt springen

ISOLDE

Dies ist ein als lesenswert ausgezeichneter Artikel.
aus Wikipedia, der freien EnzyklopÀdie
Schematische Darstellung des Isotope Separator On Line DEvice (ISOLDE) am CERN. Der Protonenstrahl des Proton Synchrotron Boosters (PSB) erzeugt in den Targets radioaktive Nuklide. Diese werden in den Ionenquellen ionisiert, beschleunigt und mit den Ablenkmagneten des GPS (General Purpose Separator) oder HRS (High Resolution Separator) aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen getrennt. Der Austausch einer Einheit „Target + Ionenquelle“ erfolgt wegen der erzeugten RadioaktivitĂ€t mittels mobiler Industrieroboter.
ISOLDE-Experimentalhalle im vorderen Teil. Strahlrohre fĂŒhren die Ionenstrahlen an verschiedene Experimente.

ISOLDE (englisch Isotope Separator On Line DEvice) ist eine seit 1967 betriebene Einrichtung zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen, die seit 1992 am Proton Synchrotron Booster (PSB) des CERN beheimatet ist. Mit dem Protonenstrahl des PSB können in speziellen erhitzten Materialien (Targets) eine Vielzahl radioaktiver Nuklide von 70 chemischen Elementen erzeugt werden. Diese werden – nachdem sie aus den Targets austreten – auf unterschiedliche Weise ionisiert, beschleunigt und mittels Magneten aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen getrennt. Über 700 unterschiedliche Ionenstrahlen mit teilweise ĂŒber 1010 Ionen pro Sekunde können so erzeugt und mehreren Experimenten der Atom- und Kernphysik sowie der Material- und Biowissenschaften zur VerfĂŒgung gestellt werden.[1]

ISOLDE war die erste Anlage dieser Art und Prototyp fĂŒr weitere, die nach dem verwendeten Prinzip als ISOL-Einrichtungen bezeichnet werden. Zu den bedeutenden Ergebnissen wĂ€hrend ihres nahezu 50-jĂ€hrigen Betriebes zĂ€hlen Erweiterungen der Nuklidkarte. Mit einer Vielzahl von Experimenten wurde das VerstĂ€ndnis der Atom- und Kerneigenschaften erweitert, Halokerne und exotische ZerfĂ€lle untersucht und BeitrĂ€ge zur Nuklearen Astrophysik, Festkörperphysik und Nuklearmedizin erbracht. Klaus Blaum, Björn Jonson und Piet Van Duppen erhielten fĂŒr Forschungen an der ISOLDE-Einrichtung 2020 den Lise-Meitner-Preis.

Zeitliche Entwicklung

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erste Anlage am Synchro-Zyklotron (SC)

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erste erfolgreiche Experimente zur kontinuierlichen Erzeugung und Trennung kurzlebiger radioaktiver Nuklide wurden Anfang der 1950er-Jahre am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen unter Otto Kofoed-Hansen durchgefĂŒhrt. Dabei wurde ein Zyklotron mit einem Isotopen-Separator kombiniert. Diese Technik eröffnete neue Forschungsmöglichkeiten und motivierte europĂ€ische Kernphysiker Anfang der 1960er-Jahre, die Errichtung einer Anlage am Synchro-Zyklotron (SC) des CERN vorzuschlagen. Nach Abschluss der Planungen und der endgĂŒltigen Genehmigung durch den damaligen CERN-Generaldirektor Victor Weisskopf Ende 1964 wurde im Folgejahr der Bau begonnen. Dabei wurden die unterirdische Anlage am CERN und der Isotopen-Separator an der UniversitĂ€t Aarhus gebaut. Am 16. Oktober 1967 konnte das erste Experiment an der ISOLDE genannten Einrichtung durchgefĂŒhrt werden. In den ersten Jahren konnten mehrere neue Isotope der Elemente Krypton, Xenon, Quecksilber und Radon identifiziert werden; eine erste Veröffentlichung erschien 1969.[2]

Zwischen 1972 und 1974 waren durch die Erhöhung der IntensitĂ€t des 600 MeV-Protonenstrahls des SC erste grĂ¶ĂŸere VerĂ€nderungen bei ISOLDE nötig. Nun wurde mit der 100-fach grĂ¶ĂŸeren IntensitĂ€t des Protonenstrahls an den Targets gearbeitet, wodurch die Anzahl und IntensitĂ€t der Ionenstrahlen erhöht werden konnte. Anfang der 1980er-Jahre erhielt ISOLDE ein weiteres Target mit Separationsmagnet, wegen der begrenzten RĂ€umlichkeiten wurde der Ionenstrahl in die Halle des SC geleitet, wo ein weiterer Experimentierbereich fĂŒr ISOLDE entstand.[2]

Anlage am Proton Synchrotron Booster (PSB)

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Position von ISOLDE am Proton Synchrotron Booster (PSB, hier als BOOSTER markiert) am CERN. Mit dem Linearbeschleuniger LINAC 2 auf 50 MeV beschleunigte Protonen (blaue Pfeile) werden in den PSB eingespeist und auf bis zu 1,4 GeV beschleunigt.

Mit der absehbaren Stilllegung des SC wurde Ende der 1980er-Jahre ĂŒber eine Verlegung von ISOLDE zu einem anderen Teilchenbeschleuniger nachgedacht; 1990 wurde entschieden, einen neuen GebĂ€udekomplex am Proton Synchrotron Booster (PSB) des CERN zu errichten. Der SC lieferte seinen letzten Strahl im Dezember 1990, im Mai 1992 wurde der neue Standort von ISOLDE eingeweiht; am 26. Juni 1992 konnte das erste Experiment mit dem 1 GeV Strahl des Proton Synchrotron Booster durchgefĂŒhrt werden.[2]

Seit 1994 kommt zur selektiven Ionisation das Lasersystem RILIS zum Einsatz, mit dessen Hilfe die gewĂŒnschten chemischen Elemente gezielt ionisiert werden können. Dies ermöglicht die Trennung von isobaren Nukliden, was aufgrund der gleichen Masse durch den Separations-Magneten nicht möglich wĂ€re.[3] Ende 2001 wurde mit REX-ISOLDE ein Nachbeschleuniger fĂŒr die von ISOLDE mit einer maximalen Energie von 60 keV bereitgestellten Ionenstrahlen in Betrieb genommen, welcher die Ionen auf Energien von bis zu 2,2 MeV beschleunigte.[4] Die Energien konnten spĂ€ter auf bis zu 3,1 MeV erhöht werden und nach einem weiteren Umbau wurden 2017 Energien von bis zu 7,5 MeV erreicht. Diese als HIE-ISOLDE bezeichnete Ausbaustufe liefert seit August 2018 Energien von ĂŒber 10 MeV.[5][6][7] Hauptnutzer dieser hochenergetischen Ionenstrahlen ist das Experiment MINIBALL.[8] FĂŒr eine weitere Erhöhung der Energien und der LuminositĂ€t wird seit 2012 ĂŒber die Installation eines Schwerionen-Speicherrings nachgedacht und der Umzug des Test Storage Ring (TSR) des Max-Planck-Institut fĂŒr Kernphysik von Heidelberg zu ISOLDE empfohlen, da dieser zukĂŒnftig durch den Cryogenic Storage Ring (CSR) ersetzt wird.[9]

Prototyp fĂŒr weitere Anlagen

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ISOLDE war die erste Anlage zur kontinuierlichen Erzeugung, Beschleunigung und Trennung kurzlebiger radioaktiver Nuklide. Sie war der Prototyp fĂŒr weitere Anlagen, die nach dem verwendeten Prinzip als ISOL-Einrichtungen bezeichnet werden.[10] So entstanden unter anderem mit SPIRAL am Grand AccĂ©lĂ©rateur National d’Ions Lourds (GANIL) in Frankreich oder EXCYT am Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italien weitere Anlagen in Europa sowie in Nordamerika ISAC am TRIUMF und HRIBF am Oak Ridge National Laboratory. Seit Ende der 1990er-Jahre liegt der Fokus zunehmend auf der Erhöhung der Energie und IntensitĂ€t der erzeugten Ionenstrahlen und somit auch auf immer leistungsstĂ€rkerer Nachbeschleunigung. Vorreiter war hier die RIB-Einrichtung im belgischen Louvain-la-Neuve, gefolgt unter anderem von REX-ISOLDE, SPIRAL-II (zukĂŒnftiger Ausbau zu EURISOL) oder ISAC-II.[11] Die Alternative zu den ISOL-Einrichtungen sind die sogenannten In-Flight-Anlagen, bei denen dĂŒnne Targets mit Schwerionen aus entsprechenden Beschleunigeranlagen beschossen werden, an die sich die Separatoren direkt anschließen. Diese Technik ist besonders fĂŒr sehr kurzlebige Nuklide geeignet, da die Schwerionen ihre Energie auf die erzeugten radioaktiven Ionen ĂŒbertragen und diese die Separatoren in weniger als einer Mikrosekunde durchlaufen.[12]

Betrieb

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ISOL-Prozess

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Beispiele typischer Target-Materialien und daraus erzeugter Nuklide (Auswahl)[13]
TargetTSchmelz
in °C		TBetrieb
in °C (max.)		Nuklide
FlĂŒssige Metalle
Ge937110060–74Zn,64–75Ga
Sn232120097–122Cd
La9201400115–128I,115–133Xe u. a.
Pb9371100177–207Hg
Feste Metalle
Ti1675160037–46Ca,42–48Sc
Nb2470205070–85Br,74–86Rb u. a.
Ta29962200viele
W341022008–10Li
Kohlenstoff und Carbide
C>360018007, 10, 11Be
Al4C3(1400) *120020–24Na
SiC(2300) *120017–23F,22–28Mg u. a.
ThC2 u. UC224502200viele
Oxide
MgO2800150017–24Ne
SrO2450150072–81Kr
ZrO22700185056–71Cu,62–74Ga u. a.
CeO226001300112–125Xe u. a.
* 
Zersetzung des Target-Materials bei dieser Temperatur

Die radioaktiven Nuklide werden mit dem Protonenstrahl des PSB – mit Energien von 1,0 oder 1,4 GeV – durch Kernspaltung beziehungsweise Spallation in einem mit dem Target-Material gefĂŒllten Container erzeugt. Der Container ist typischerweise ein aus Tantal bestehender Zylinder mit 20 cm LĂ€nge und 2 cm Durchmesser, dessen LĂ€ngsachse horizontal entlang der Achse des Protonenstrahls ausgerichtet ist. Die in den Container eingebrachten Materialien wie feste (in Pulver- oder Folienform) und flĂŒssige Metalle, Carbide oder Oxide, werden elektrisch auf bis zu 2500 °C erhitzt, um so ein effizientes und schnelles Diffundieren der erzeugten Nuklide aus dem Targetmaterial und anschließendem Austreten aus einer oben am Container angebrachten Öffnung zu gewĂ€hrleisteten (in AbhĂ€ngigkeit vom verwendeten Targetmaterial dauert dies circa 1 bis 30 s[14]).[13]

Die Öffnung ist durch einen Kanal (transfer line) mit der sogenannten Ionenquelle (ion source) verbunden. Der ebenfalls erhitzte Kanal besteht aus Materialien wie zum Beispiel Tantal, Kupfer oder Quarzglas, mit denen die erzeugten Nuklide nicht reagieren oder an ihnen haften bleiben. Nach dem Austritt werden die Nuklide in den Ionenquellen entweder durch den Kontakt mit heißen MetalloberflĂ€chen (OberflĂ€chenionisation), durch Stoßionisation in einem Plasma (Plasmaionisation) oder den Beschuss mit Photonen (resonante Laser-Ionisation) ionisiert.[13][14]

Die Ionen werden dann mittels Ablenkmagneten aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen getrennt. Dem Grundprinzip nach entspricht das dem Analysator eines Massenspektrometers. Den Experimenten können ohne Nachbeschleunigung somit vier Ionenstrahlen hoher Reinheit mit Energien von bis zu 60 keV zur VerfĂŒgung gestellt werden (mit REX-ISOLDE Energien von grĂ¶ĂŸer 3 MeV). Dabei kommen zwei Separatoren mit jeweils eigener Target-Zone zum Einsatz; der General Purpose Separator (GPS), welcher einen Ablenkmagneten besitzt und drei getrennte Ionenstrahlen liefert, sowie der High Resolution Separator (HRS) mit zwei Ablenkmagneten, welcher nur einen Ionenstrahl generiert.[13][14] Die aus Target und Ionenquelle bestehenden Einheiten sind in einem besonders abgeschirmten und gesicherten Bereich (Target-Zone) untergebracht und werden aufgrund der erzeugten RadioaktivitĂ€t durch mobile Industrieroboter gewechselt. Die benutzten Einheiten werden bis zum Abklingen der Strahlendosis auf ungefĂ€hrliche Werte (circa ein Jahr) hinter Abschirmungen in den ZufahrtsgĂ€ngen der Roboter zwischengelagert und wĂ€hrend der Wartungsperioden entsorgt.[15][16]

Lasersystem RILIS

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lasersystem RILIS (Resonance Ionization Laser Ion Source) dient der selektiven Ionisation von chemischen Elementen. Es besteht aus jeweils drei durchstimmbaren gepulsten Farbstofflasern und Titan:Saphir-Lasern, die durch Nd:YAG-Laser gepumpt werden. Mittels Frequenzvervielfachung (SHG, THG, FHG) steht ein kontinuierlicher WellenlĂ€ngenbereich von 210 nm bis 950 nm zur VerfĂŒgung. Die Pulsdauern liegen im Bereich von 7–35 ns, bei einer Frequenz von 10 kHz, wobei eine durchschnittliche optische Leistung von einigen Watt an den Ionenquellen erreicht wird, die sowohl zum General Purpose Separator (GPS), als auch zum High Resolution Separator (HRS) geleitet werden kann.[17]

Die aus dem Transfer-Kanal austretenden Nuklide werden durch den Beschuss mit Photonen genau abgestimmter WellenlĂ€nge in mehreren Stufen ionisiert. Dabei werden die Ă€ußeren Elektronen in angeregte RydbergzustĂ€nde gehoben und schließlich entfernt. Die Verweildauer der Nuklide in der Ionenquelle liegt bei circa 100 ”s, worauf die Wiederholfrequenz der gepulsten Laser von 10 kHz abgestimmt ist. Durch die fĂŒr jedes Element charakteristischen Energieniveaus ist es möglich, nur gewĂŒnschte Elemente zu ionisieren – somit auch isobare Nuklide gezielt zu trennen – und daraus Ionenstrahlen hoher Reinheit zu erzeugen.[18]

REX- und HIE-ISOLDE

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Position der Strahllinien und des Nachbeschleunigers REX-ISOLDE an der ISOLDE-Einrichtung des CERN

Der seit 2001 installierte Nachbeschleuniger REX-ISOLDE (Radioactive Beam EXperiment) erhöht die Energie der Ionenstrahlen von 60 keV auf bis zu 3,1 MeV. Die Ionen werden zuerst in einer Penning-Falle gesammelt und zu Paketen (bunches) zusammengefasst. Dann werden sie durch einen sogenannten charge breeder (dt. 'LadungsbrĂŒter') geleitet, in dem die einfach positiv geladenen Ionen durch Elektronenbeschuss auf ein Masse-zu-Ladung-VerhĂ€ltnis von kleiner 4,5 weiter ionisiert werden. Die Ionenpakete werden dann im Hauptteil der Anlage, einem mehrstufigen normalleitenden Linearbeschleuniger (LINAC) von 11 Meter LĂ€nge, beschleunigt. Der LINAC besteht aus einem Hochfrequenzquadrupol-Resonator, der die Ionen auf 300 keV bringt, und mehreren nachgeschalteten Driftröhren-KavitĂ€ten vom Interdigital H-type, die eine einstellbare Endenergie zwischen 1,2 und 3,1 MeV ermöglichen.[19]

Die Ausbaustufe HIE-ISOLDE (High Intensity and Energy) ist ein supraleitender LINAC, bestehend aus sechs Helium-gekĂŒhlten Modulen mit mehreren Quarter-Wave-Hohlraumresonatoren, wobei auch die Driftröhren-KavitĂ€ten von REX-ISOLDE spĂ€ter durch diese ersetzt werden sollen. Die ersten zwei Module wurden 2016 in Betrieb genommen und liefern Ionenstrahlen mit Energien von bis zu 5,5 MeV. Mit der Fertigstellung von HIE-ISOLDE steht seit August 2018 eine Energie von ĂŒber 10 MeV zur VerfĂŒgung.[5][6] Der gesamte LINAC-Komplex (REX- und HIE-ISOLDE) wird sich durch den Ausbau auf ĂŒber 25 Meter verlĂ€ngern,[20] was auch bedingt durch die höheren Energien einen Aus- und Umbau der nachfolgenden – die Experimente versorgenden – Strahllinien erfordert.[8]

Experimente

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben einigen dauerhaft installierten Versuchsaufbauten gibt es jĂ€hrlich viele kleinere Experimente, die auf die Vielzahl der möglichen radioaktiven Strahlen der ISOLDE-Einrichtung zurĂŒckgreifen. Diese werden kurz vor der VerfĂŒgbarkeit der entsprechenden Strahlen aufgebaut und spĂ€ter wieder demontiert. JĂ€hrlich finden ĂŒber 50 unterschiedliche Experimente statt.[21] Die permanenten Experimente sind:[22]

ASPIC

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ASPIC (Apparatus for Surface Physics and Interfaces at Cern) ist eine Ultrahochvakuum-Apparatur zur Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften dĂŒnner Schichten – in der GrĂ¶ĂŸenordnung weniger Atomlagen – mittels der von Hans Frauenfelder entwickelten Methode der Perturbed Angular Correlation (PAC) zur Spektroskopie von Gamma-Strahlern in Festkörpern (PAC-Spektroskopie).[23] Diese auch als Gestörte γγ-Winkelkorrelation bezeichnete Methode misst die Abstrahlcharakteristik zweier korrelierter Gammaquanten, die von einem auf die dĂŒnnen Schichten aufgebrachten radioaktiven Ion bei dessen Zerfall ausgesendet werden und deren Winkel zueinander von der Hyperfeinstruktur des Atomkerns abhĂ€ngt. Die Hyperfeinstruktur kann von den elektromagnetischen Feldern der zu untersuchenden Schichten beeinflusst und deren Eigenschaften durch die Bestimmung des Winkels somit untersucht werden.[24][25]

COLLAPS

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Experiment COLLAPS (COLlinear LAser SPectroscopy) werden mittels kollinearer Laserspektroskopie seit Ende der 1970er-Jahre – beginnend am Forschungsreaktor Mainz 1978 und ab 1980 am jeweiligen Standort von ISOLDE – die Grundzustandseigenschaften kurzlebiger Nuklide bestimmt, wie Spin, magnetische und elektrische Momente und Ladungsradius. Der Ionenstrahl wird hierzu mit einem Laserstrahl kollinear ĂŒberlagert, der elektronische ÜbergĂ€nge der radioaktiven Nuklide anregt und das beim Übergang in den Grundzustand emittierte Photon registriert. Aus den WellenlĂ€ngen der Laserphotonen und Fluoreszenzphotonen lassen sich dann Aussagen ĂŒber die Energieniveaus und RĂŒckschlĂŒsse auf die Kernstruktur treffen.[26][27]

CRIS

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Experiment CRIS (Collinear Resonant Ionization Spectroscopy) wird die kollineare Laserspektroskopie kombiniert mit der Resonanzionisations-Spektroskopie. Diese in den 1980er-Jahren entwickelte Methode erlaubt neben der Untersuchung der Kerngrundzustandseigenschaften kurzlebiger exotischer Nuklide auch die Erzeugung von radioaktiven Ionenstrahlen hoher isomerer Reinheit. Die derzeitige Ultrahochvakuum-Apparatur wurde zwischen 2008 und 2011 aufgebaut und getestet und konnte seit 2012 zu ersten umfangreichen Messungen an Francium-Isotopen eingesetzt werden.[28]

ISOLTRAP

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ISOLTRAP ist ein auf dem Prinzip der Penning-Falle beruhendes hochprĂ€zises Ionenfallen-Massenspektrometer. Seit den 1980er-Jahren konnten bisher die Massen von ĂŒber 400 kurzlebigen Nukliden bestimmt werden, mit einer relativen Genauigkeit von etwa 5·10−8. Durch weitere Verbesserungen konnte die Genauigkeit auf etwa 1·10−8 verbessert und die Messung auf Ionen mit Halbwertszeiten bis hinunter zu 50 ms erweitert werden.[29][30]

LUCRECIA

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das Experiment LUCRECIA (Total-Absorption-Gammaspectrometer) mit geöffneter Abschirmung

LUCRECIA ist ein Total-Absorption-(Gamma-)Spectrometer (TAS) zur Bestimmung der Gammastrahlung von Tochternukliden in angeregten ZustĂ€nden nach einem Beta-Zerfall. Ziel ist die genaue Bestimmung des meist in Kaskaden stattfindenden Übergangs der Tochternuklide in den Grundzustand. Hauptbestandteil des Spektrometers ist ein zylindrischer mit Thallium dotierter Natriumiodid-Szintillationskristall von 38 cm LĂ€nge und 38 cm Durchmesser. Die zu untersuchenden Nuklide werden durch eine senkrecht zur LĂ€ngsachse des Zylinders angebrachten 7,5 cm großen Öffnung geleitet und je vier großflĂ€chige Photomultiplier an den EndflĂ€chen registrieren die in Kristall entstehenden Photonen. Ein Vorteil des Aufbaus ist die Vermeidung des bei anderen Gammaspektrometern – mit Germanium-Einkristallen und hoher Energieauflösung, aber geringer Detektionseffizienz – auftretenden Pandemonium-Effekts (Nichtregistrierung seltener hochenergetischer Gammastrahlung), der eine genaue Bestimmung der EnergiezustĂ€nde der Tochternuklide nicht zulĂ€sst.[31][32]

MINIBALL

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das Experiment MINIBALL (Gammaspektrometer aus hochreinen Germanium-Einkristallen)

MINIBALL ist ein seit 2002 betriebenes hochauflösendes Gammaspektrometer und besteht aus 24 hochreinen Germanium-Einkristallen, welche kugelförmig um die Kollisionszone angeordnet und zur Erhöhung der Ortsauflösung elektrisch in sechs Segmente unterteilt sind. Dabei sind jeweils drei der Kristalle in einem Kryostaten zu einem Detektor zusammengefasst. Diese können an einem speziellen Gestell in variabler Anzahl und flexibel an unterschiedlichen Position angebracht werden.[33] Zur Untersuchung der Eigenschaften exotischer Nuklide werden die mittels des Linearbeschleunigers REX-ISOLDE auf bis zu 3 MeV beschleunigten Ionen (mit HIE-ISOLDE sind ab 2015 noch höhere Energien möglich) auf ein Target geschossen. Durch inelastische StĂ¶ĂŸe kommt es zu einer elektromagnetischen Coulomb-Anregung der Atomkerne und die bei der Abregung emittierte Gammastrahlung wird vom Spektrometer registriert und analysiert.[34]

NICOLE

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Experiment NICOLE (Nuclear Implantation into Cold On Line Equipment) besteht aus einem großen 3He-4He-VerdĂŒnnungskryostaten, in dem ferromagnetische Folien auf bis zu 10 Millikelvin abgekĂŒhlt und auf welche dann die Ionenstrahlen gelenkt werden. Dabei erfahren die implantierten radioaktiven Ionen eine Spinpolarisation mit Spin-Gitter-Relaxationszeiten zwischen Stunden und Millisekunden. Bei diesem seit 1988 laufenden Experiment wird neben Untersuchungen mittels Kernspinresonanzspektroskopie auch die Winkelverteilung der beim Zerfall emittierten Teilchen in AbhĂ€ngigkeit von der induzierten Kernpolarisation bestimmt und so zum Beispiel die ParitĂ€tsverletzung beim Beta-Zerfall untersucht.[35][36]

WITCH

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

WITCH (Weak Interaction Trap for CHarged particles) ist ein Experiment zur Untersuchung von Eigenschaften der elektroschwachen Wechselwirkung. Hauptanliegen ist die Bestimmung der RĂŒckstoßenergien von Tochternukliden beim Beta-Zerfall, welche RĂŒckschlĂŒsse auf die Beta-Neutrino-Korrelation erlauben. Dazu werden die von ISOLDE generierten radioaktiven Ionen mittels mehrerer Penning-Fallen abgekĂŒhlt und zerfallen in der letzten Falle (decay trap). Die Verteilung der RĂŒckstoßenergien der Tochternuklide wird dann mit einem nachgeschalteten Spektrometer (retardation spectrometer) aufgezeichnet. 2004 wurde mit dem Aufbau des Experiments begonnen und nach einigen RĂŒckschlĂ€gen konnten ab 2009 erste Ergebnisse erzielt werden.[37]

Forschungsgebiete und Ergebnisse

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erweiterung der Nuklidkarte und Atom(kern)eigenschaften

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Nuklidkarte mit Angabe der radioaktiven Zerfallsart. Farbig gezeichnete Nuklide sind instabil, schwarz gezeichnete stabil. Die diagonale Gerade zeigt die Positionen von Nukliden mit gleich vielen Protonen und Neutronen. Spontaner Zerfall sehr instabiler Kerne durch Neutronenemission an der neutron drip line sind lila und durch Protonenemission an der proton drip line sind rot dargestellt.

Besonders in den Anfangsjahren ab 1967 wurde mit ISOLDE die Nuklidkarte der bekannten Isotope und die Kenntnis von deren Eigenschaften und Zerfallsreihen erheblich erweitert.[38] WĂ€hrend 1967 nur Isotope von vier Elementen systematisch erzeugt wurden, waren dies Ende der 1990er-Jahre schon Isotope von ĂŒber der HĂ€lfte der Elemente des Periodensystems.[39]

Ein weiterer Schwerpunkt war die genaue Kernmassenbestimmung mit ISOLTRAP. Heinz-JĂŒrgen Kluge, der am GSI in Darmstadt und bei ISOLDE forschte, erhielt hierfĂŒr 2006 den Lise-Meitner-Preis. Bei der Untersuchung der Kernradien-Systematik wurden anomal große SprĂŒnge zwischen Isotopen gerader und ungerader Neutronenzahl (odd even staggering, shape staggering) gefunden, zum Beispiel bei neutronenreichen Quecksilberisotopen, deren Radien bei ungerader Neutronenzahl grĂ¶ĂŸer sind. Sie entsprechen Änderungen der Form des Atomkerns mit und ohne starke Deformation (Rotationsellipsoid-Formen) im Grundzustand.[40][41] Energetisch benachbarte Isomere, die sich in der Form des Kerns unterscheiden (Form-Koexistenz), wurden bei ISOLDE Anfang der 1970er-Jahre entdeckt. Weitere Untersuchungen zur Kernstruktur dienten dem Studium langlebiger angeregter KernzustĂ€nde und dem Nachweis von Oktupol-Deformationen (in Birnen-Form) von Kernen im Grundzustand, wie zum Beispiel bei einigen Radon- und Radium-Isotopen (Peter A. Butler).[42]

In der Atomphysik wurde 2013 bei ISOLDE die Ionisierungsenergie des langlebigsten Astat-Isotops 210At bestimmt. Astat ist eines der seltensten chemischen Elemente und war das letzte, bei dem das Ionisierungspotential des langlebigsten Isotops noch nicht bekannt war.[43]

Halokerne und exotische ZerfÀlle

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Ausschnitt aus der Nuklidkarte mit Halokernen und Magischen Zahlen (2, 8, 20 und 28; in rot)

ISOLDE und Ă€hnliche Anlagen ermöglichten es erstmals, eine Vielfalt neuer instabiler und „exotischer“ Kerne und ZerfĂ€lle zu untersuchen. Darunter fanden Halokerne – Nuklide mit einzelnen weit vom Rest des Kerns entfernten Nukleonen – besondere Aufmerksamkeit. Zum Beispiel gelang die erstmalige genaue Vermessung des 1-Neutron-Halos in 11Be.[44] Beim 2-Neutron-Halo von 11Li, bei dem ein an sich instabiles Dineutron durch den nahen Atomkern stabilisiert wird (2-Neutron-Halokerne werden auch borromĂ€ische Halokerne genannt),[45] erfolgte 1987 eine genaue Kernradienbestimmung des Halokerns mit laserspektroskopischen Methoden durch Ernst-Wilhelm Otten und seine Kollegen.[46] Der Neutronenhalo des 11Li war zwei Jahre zuvor am LBNL entdeckt worden. Das Studium von 11Li lieferte auch Informationen ĂŒber die starke Wechselwirkung zwischen zwei Neutronen und das quantenmechanische Dreikörperproblem. Auch die Struktur weiterer Halokerne wurde an ISOLDE untersucht.[47]

Zu den bei ISOLDE untersuchten exotischen ZerfÀllen gehört die beta-delayed multi-particle emission (ein Betazerfall gefolgt von der Emission von zwei oder drei Neutronen, Deuterium oder Tritium), die gut bei 11Li untersucht werden konnte, und der Clusterzerfall.

Nukleare Astrophysik

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Halokerne sind ein Beispiel fĂŒr sehr instabile Kerne nahe oder jenseits der drip line (dt. in etwa ‘Abtropfkante’) fĂŒr spontanem Zerfall durch Neutronenemission (neutron drip line). Die Untersuchung der Kerne nahe der drip line fĂŒr Protonenemission (proton drip line) hat auch Bedeutung fĂŒr das VerstĂ€ndnis der astrophysikalischen Nukleosynthese (schneller Protoneneinfang). Bei ISOLDE wurden dazu zum Beispiel die relevanten Prozesse des Drei-Alpha-Prozesses und des r-Prozesses bei Massenzahlen von etwa 130 untersucht.[48] Messungen mit ISOLDE an 7Be sind außerdem wichtig fĂŒr das VerstĂ€ndnis des Solaren Neutrinoproblems, da das Isotop bei Protoneneinfang eine Quelle solarer Neutrinos ist.

Schalenmodell und Magische Zahlen

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ISOLDE und Ă€hnliche Anlagen eröffneten eine neue Ära der Erweiterung des Schalenmodells der Atomkerne – ursprĂŒnglich fĂŒr relativ stabile Kerne entwickelt – auf sehr instabile Kerne. Hier zeigten sich neue und nicht von der Theorie vorhergesagte PhĂ€nomene, wie neue Magische Zahlen oder „Inseln der Inversion“ (islands of inversion). Diese Regionen in der Nuklidkarte mit Abweichung der Kernniveaus von der ĂŒblichen aus dem Schalenmodell vorhergesagten Ordnung wurden zuerst 1975 entdeckt und es sind heute fĂŒnf solche Inseln bekannt, von denen bei ISOLDE besonders diejenigen bei Natrium- und Magnesium-Isotopen untersucht wurden.[49] Die neue magische Zahl 32 wurde bei ISOLDE bei der systematischen Untersuchung von Calcium-Isotopen 2013 entdeckt.[50]

Physik jenseits des Standardmodells

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ISOLDE trug auch zu einer der Hauptforschungsrichtungen des CERN bei, der Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells (beyond standard model), wobei an ISOLDE, komplementĂ€r zu den großen Kollaborationen in der Hochenergiephysik am CERN, der Niedrigenergiesektor untersucht wurde. Insbesondere wurden mögliche neue BeitrĂ€ge einer Physik jenseits des Standardmodells bei der schwachen Wechselwirkung untersucht, wie sie zum Beispiel aufgrund der Kopplung hypothetischer Leptoquarks und skalarer Bosonen vorhergesagt wurden. Sie sollten sich beispielsweise in Elektron-Neutrino-Winkelkorrelationen im Betazerfall Ă€ußern. Da das Neutrino schwer nachzuweisen ist, zieht man RĂŒckschlĂŒsse aus dem RĂŒckstoß des Atomkerns beim Betazerfall mit laserspektroskopischen Methoden, speziell bei ZerfĂ€llen, in denen der RĂŒckstoß durch anschließende Protonenemission verstĂ€rkt wird (wie z. B. bei 32Ar). Das lieferte Ende der 1990er-Jahre neue Schranken fĂŒr mögliche Abweichungen vom Standardmodell.[47] Auch die Suche nach ParitĂ€tsverletzung[39] und die sehr genaue Kernmassenbestimmung durch ISOLTRAP dient der ÜberprĂŒfung des Standardmodells (ÜberprĂŒfung der UnitaritĂ€t der CKM-Matrix).[51]

Festkörperphysik und Nuklearmedizin

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die mit ISOLDE erzeugten radioaktive Isotope dienen auch Forschern in der Festkörperphysik, da durch die gezielte Implantierung in Metallen, Legierungen, Halbleitern oder Hochtemperatursupraleitern deren Struktur, Störstellen oder Dotierungen sowie OberflÀcheneffekte, zum Beispiel durch die Analyse der VerÀnderungen in der magnetischen Hyperfeinstruktur der Isotope mit ASPIC, untersucht werden können.[52]

FĂŒr die Nuklearmedizin werden neue Methoden der Krebstherapie und Krebsdiagnose unter anderem in Zusammenarbeit mit dem HĂŽpitaux universitaires de GenĂšve untersucht, wie Techniken und Isotope fĂŒr die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT). Ende der 1970er-Jahre erwies sich so zum Beispiel ein mit ISOLDE erzeugtes Thulium-Isotop erstmals als erfolgreich bei der KrebsbekĂ€mpfung im Maus-Experiment[53] und in den 2010er-Jahren wurden zu diesem Zweck zum Beispiel Terbium-Isotope mit ISOLDE erzeugt, wobei fĂŒr die Diagnose mit PET 152Tb und fĂŒr SPECT 155Tb untersucht wurden sowie 149Tb fĂŒr die Therapie mit Alphateilchen.[54]

Literatur

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
  • Hans Geissel, Mark Huyse, Gottfried MĂŒnzenberg, Piet Van Duppen: Exotic Nuclear Beam Facilities. In: Reinhard Stock (Hrsg.): Encyclopedia of Nuclear Physics and its Applications. 2. Auflage, John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-64927-3, S. 159–212.
  • Gregers Hansen: The SC: ISOLDE and Nuclear Structure. In: J. Krige (Hrsg.): History of CERN. Volume III. Elsevier Science B. V., Amsterdam 1996, ISBN 0-444-89655-4, S. 327–414.
  • B. Jonson, A. Richter: More than three decades of ISOLDE physics. In: Hyperfine Interactions. Vol. 129, Nr. 1–4, 2000, S. 1–22, doi:10.1023/A:1012689128103.
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise

[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
  1. ↑ Björn Jonson, Karsten Riisager: The ISOLDE facility. Scholarpedia, 2010, doi:10.4249/scholarpedia.9742, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  2. 1 2 3 B. Jonson, A. Richter: More than three decades of ISOLDE physics. In: Hyperfine Interactions. Vol. 129, Nr. 1–4, 2000, S. 1–22, doi:10.1023/A:1012689128103.
  3. ↑ B. A. Marsh et al.: The ISOLDE RILIS pump laser upgrade and the LARIS Laboratory. In: Hyperfine Interactions. Vol. 196, Nr. 1–3, 2010, S. 129–141, doi:10.1007/s10751-010-0168-5.
  4. ↑ D. Voulot et al.: Radioactive beams at REX–ISOLDE: Present status and latest developments. (PDF; 491 kB) In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. Vol. 266, Nr. 19–20, 2008, S. 4103–4107, doi:10.1016/j.nimb.2008.05.129.
  5. 1 2 HIE-ISOLDE’s Phase 2 reaches completion CERN updates, 21. August 2018, CERN Accelerating science, abgerufen am 7. Oktober 2019.
  6. 1 2 Harriet Kim Jarlett: HIE-ISOLDE: Nuclear physics gets further energy boost. CERN updates, 17. Juli 2017, CERN Accelerating science, abgerufen am 19. August 2017.
  7. ↑ REX-ISOLDE. ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 28. September 2014.
  8. 1 2 MarĂ­a JosĂ© G. Borge: ISOLDE highlights and the HIE – ISOLDE project. In: EPJ Web of Conferences. Vol. 66, 2014, S. 11005-p.1–11005-p.8, doi:10.1051/epjconf/20146611005.
  9. ↑ Barbara Warmbein: Test Storage Ring could find new life at ISOLDE. CERN updates, 25. Februar 2014, CERN Accelerating science, abgerufen am 28. September 2014.
  10. ↑ Hans Geissel, Mark Huyse, Gottfried MĂŒnzenberg, Piet Van Duppen: Exotic Nuclear Beam Facilities. In: Reinhard Stock (Hrsg.): Encyclopedia of Nuclear Physics and its Applications. 2. Auflage, John Wiley & Sons, 2013, S. 159–212, hier S. 196 ff.
  11. ↑ M. Lindroos: Review of ISOL-type Radioactive Beam Facilities. In: Proc. of EPAC. Lucerne, Switzerland, 2004, S. 45–49.
  12. ↑ Hans Geissel, Mark Huyse, Gottfried MĂŒnzenberg, Piet Van Duppen: Exotic Nuclear Beam Facilities. In: Reinhard Stock (Hrsg.): Encyclopedia of Nuclear Physics and its Applications. 2. Auflage, John Wiley & Sons, 2013, S. 159–212, hier S. 189–196.
  13. 1 2 3 4 U. Köster: ISOLDE target and ion source chemistry. (PDF; 189 kB) In: Radiochimica Acta. Vol. 89, Nr. 11–12, 2001, S. 77777–77785, doi:10.1524/ract.2001.89.11-12.749.
  14. 1 2 3 Targets and Separators. ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  15. ↑ A. H. Sullivan: Radiation safety at ISOLDE. CERN Technical Inspection and Safety Commission (TIS), 1993 (CERN/TIS/RP/93-13).
  16. ↑ Joachim Vollaire: Calculations of the radiological environment for handling of ISOLDE targets. (PDF; 6,1 MB) CERN's occupational Health & Safety and Environmental protection Unit (HSE), 4th High Power Targetry Workshop, Malmö, Sweden, 2.–6. Mai 2011.
  17. ↑ RILIS laser setup. (Memento vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) RILIS at ISOLDE, CERN Accelerating science, abgerufen am 28. September 2014.
  18. ↑ Motivation for RILIS. (Memento vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) RILIS at ISOLDE, CERN Accelerating science, abgerufen am 28. September 2014.
  19. ↑ About. REX-ISOLDE, CERN Accelerating science, abgerufen am 28. September 2014.
  20. ↑ D. Voulot et al.: HIE-ISOLDE SC linac: operational aspects and commissioning preparation. (Memento vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) In: Proc. of the 3rd International Particle Accelerator Conference. New Orleans, USA, 20.–25. Mai 2012, S. 3853–3855.
  21. ↑ Experiments. ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  22. ↑ Experimental Setups. ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  23. ↑ ASPIC. (Memento vom 20. November 2013 im Internet Archive) ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 3. Oktober 2014.
  24. ↑ Yuriy Manzhur: Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Ni-EinkristalloberflĂ€chen, Ni-DĂŒnnschichtoberflĂ€chen und Ni/Pd-GrenzflĂ€chen mit der PAC-Methode. Dissertation, Freie UniversitĂ€t Berlin 2006, S. 21–31 (Kapitel 2: Meßmethode Gestörte γγ-Winkelkorrelation (Perturbed Angular Correlation)).
  25. ↑ James Gillies: Nuclei as secret agents. CERN Courier, 24. September 1998, abgerufen am 3. Oktober 2014.
  26. ↑ COLlinear LAser SPectroscopy @ ISOLDE-CERN. (Memento vom 18. November 2013 im Internet Archive) Webseite von COLLAPS am CERN (siehe dort unter Experiments), 2006, abgerufen am 4. Oktober 2014.
  27. ↑ Wilfried NörtershĂ€user: Recent developments in collinear laser spectroscopy at COLLAPS/ISOLDE. In: Hyperfine Interactions. Vol. 198, Nr. 1–3, 2010, S. 73–83, doi:10.1007/s10751-010-0230-3.
  28. ↑ Kieran Flanagan: CRIS: A New Sensitive Device for Laser Spectroscopy of Exotic Nuclei. (PDF; 4,4 MB) In: Nuclear Physics News. Vol. 23, Nr. 2, 2013, S. 24–26, doi:10.1080/10619127.2013.793094.
  29. ↑ About ISOLTRAP. Webseite der ISOLTRAP Collaboration am CERN, 2008, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  30. ↑ Klaus Blaum, Frank Herfurth, Alban Kellerbauer: Eine Waage fĂŒr exotische Kerne: Massenbestimmung von Atomkernen mit Isoltrap. (PDF; 688 kB) In: Physik in unserer Zeit. Nr. 5, 36. Jahrgang, 2005, S. 222–228, doi:10.1002/piuz.200501074.
  31. ↑ LUCRECIA. ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 4. Oktober 2014.
  32. ↑ A. Algora et al.: Beta-decay studies using total absorption techniques: some recent results. (Memento vom 6. Oktober 2014 im Internet Archive) (PDF; 975 kB) In: Rev. Mex. Fis. 50, 2 (2004) S. 5–10.
  33. ↑ Dirk Werner Weißhaar: MINIBALL. Ein neuartiges Gamma-Spektrometer mit ortsauflösenden Germaniumdetektoren. Dissertation, UniversitĂ€t zu Köln 2003, S. 5–22 u. 63–71.
  34. ↑ T. Kroll: Spectroscopy of neutron rich nuclei at REX ISOLDE with MINIBALL. (PDF; 331 kB) In: 13th International Conference on Nuclear Reaction Mechanisms. Varenna, Italien, 11.–15. Juni 2012, S. 395–399.
  35. ↑ NICOLE. (Memento vom 20. November 2013 im Internet Archive) ISOLDE – The Radioactive Ion Beam facility, CERN Accelerating science, abgerufen am 5. Oktober 2014.
  36. ↑ K. Schlösser et al.: Nuclear orientation at ISOLDE/CERN. In: Hyperfine Interactions. Vol. 43, Nr. 1–4, 1988, S. 139–149.
  37. ↑ D. Zakoucky: Experimental Tests of the Standard Model of Weak Interactions. (PDF; 219 kB) In: XLVIII International Winter Meeting on Nuclear Physics. Bormio, Italien, 25.–29. Januar 2010, S. 1–5 (PoS(BORMIO2010)025).
  38. ↑ Walter Kranzer: Isolde. In: Physikalische BlĂ€tter. Band 23, Nr. 8, 1967, S. 374 f. doi:10.1002/phbl.19670230810 (freier Volltext)
  39. 1 2 Thirty years of ISOLDE. CERN Courier, MĂ€rz 1998, S. 4–7. Abgerufen am 15. Oktober 2014.
  40. ↑ Ernst W. Otten: Atomspektroskopie und Kernstruktur: Wie man Atomkerne mit Lasern ausleuchtet. In: Physikalische BlĂ€tter. Band 43, Nr. 8, 1987, S. 340–346. doi:10.1002/phbl.19870430810 (freier Volltext)
  41. ↑ Andrey Andreyev, JĂŒrgen Kluge: Exotic lead nuclei get into shape at ISOLDE. CERN Courier, 19. September 2007, abgerufen am 16. Oktober 2014.
  42. ↑ Hamish Johnston: Nuclear physics goes pear-shaped. Physics World, 8. Mai 2013, abgerufen am 16. Oktober 2014.
  43. ↑ ISOLDE experiments: from a new magic number to the rarest element. CERN Courier, 19. Juli 2013, abgerufen am 15. Oktober 2014.
  44. ↑ Atomkern mit Heiligenschein: Wissenschaftler vermessen erstmals Ein-Neutron-Halo mit Lasern. Pressemitteilung der Johannes Gutenberg-UniversitĂ€t Mainz, 16. Februar 2009, abgerufen am 15. Oktober 2014.
  45. ↑ B. Jonson, A. Richter: Halokerne: Professor Peter Brix zu seinem 80. Geburtstag gewidmet. In: Physikalische BlĂ€tter. Band 54, Nr. 12, 1998, S. 1121–1125. doi:10.1002/phbl.19980541212 (freier Volltext)
  46. ↑ H. J. Gils, H. Rebel: Evidenz fĂŒr einen Neutronenhalo im Kern Lithium-11. In: Physikalische BlĂ€tter. Band 45, Nr. 2, 1989, S. 58–59. doi:10.1002/phbl.19890450207 (freier Volltext)
  47. 1 2 Thomas Nilsson: Radioactive beams drive physics forward. CERN Courier, 29. November 1999, abgerufen am 15. Oktober 2015.
  48. ↑ E. Dreisigacker: r-Prozess auf den waiting-point gebracht: Neue Erkenntnisse zur Nukleosynthese. In: Physikalische BlĂ€tter. Band 42, Nr. 12, 1986, S. 412. doi:10.1002/phbl.19860421206 (freier Volltext)
  49. ↑ Thorsten Kröll, Kathrin Wimmer: ISOLDE explores the Island of Inversion. CERN Courier, 26. August 2011, abgerufen am 15. Oktober 2014.
  50. ↑ F. Wienholtz et al.: Masses of exotic calcium isotopes pin down nuclear forces. In: Nature. Vol. 498, 2013, S. 346, doi:10.1038/nature12226.
  51. ↑ High-precision masses test the Standard Model at ISOLTRAP. CERN Courier, 24. November 2004, abgerufen am 15. Oktober 2014.
  52. ↑ H. H. Bertschat et al.: Solid State Physics at ISOLDE. Solid State Physics Community at ISOLDE, CERN 2002, abgerufen am 18. Oktober 2014.
  53. ↑ Gerd J. Beyer et al.: Use of radioactive ion beams for bio-medical research. In: Proposal to the ISOLDE Committee, 2: in vivo dosimetry using positron emitting rare earth isotopes with the rotating PET scanner at the Geneva Cantonal Hospital. 1993, CERN-ISC-93-14; ISC-P-48.
  54. ↑ Terbium: a new ‘Swiss army knife’ for nuclear medicine. CERN Courier, 28. Januar 2013, abgerufen am 15. Oktober 2014.
Dieser Artikel wurde am 22. Oktober 2014 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=ISOLDE&oldid=257889350“