Çevrimiçi İzotop Kütle Ayırıcı - On-Line Isotope Mass Separator

ISOLDE Tesis Logosu
ISOLDE deney salonu.

ISOLDE Radyoaktif İyon Işın Tesisi , bir on-line olan izotop ayırıcı merkezinde bulunan tesis CERN Fransa-İsviçre sınırında karmaşık hızlandırıcı. Tesisin adı I sotope S eparator O n L ine DE mengene'nin kısaltmasıdır . 1964'te kurulan ISOLDE tesisi, 1967'de kullanıcılara radyoaktif iyon ışınları sağlamaya başladı. Başlangıçta SynchroCyclotron hızlandırıcısında (CERN'in ilk parçacık hızlandırıcısı) bulunan tesis, özellikle 1992'de tüm tesisin başka bir yere taşınmasıyla birkaç kez yükseltildi. CERN'in ProtonSynchroton Booster (PSB) ile bağlantılı. Varlığının 6. on yılına giren ISOLDE, şu anda CERN'de faaliyette olan en eski tesistir. İlk öncü çevrimiçi izotop ayırma (ISOL) ışınlarından en egzotik türlerin üretimine izin veren en son teknik gelişmelere kadar, ISOLDE nükleer, atomik, moleküler ve katı hal fiziğini kapsayan uygulamalarla çok çeşitli fizik topluluklarına fayda sağlar. aynı zamanda biyofizik ve astrofiziğin yanı sıra Standart Modelin ötesinde fizik arayan yüksek hassasiyetli deneyler. Tesis, CERN ve on beş (çoğunlukla) Avrupa ülkesinden oluşan ISOLDE İşbirliği tarafından işletilmektedir. 2019 itibariyle, dünya çapında (tüm kıtalar dahil) 800'den fazla deneyci, yılda tipik olarak 45 farklı deney yapmak için ISOLDE'ye geliyor.

Radyoaktif çekirdekler , ISOLDE'de CERN'nin PSBooster hızlandırıcısı tarafından 20 cm kalınlığındaki bir hedefe gönderilen yüksek enerjili (1.4GeV) bir proton demeti vurularak üretilir. Deneyciler tarafından talep edilen istenen nihai izotoplara bağlı olarak birkaç hedef malzeme kullanılır . Hedef malzeme proton kirişin etkileşimi radyoaktif türler üretir ufalanma , parçalanma ve fisyon reaksiyonları. Daha sonra, hedefin yaklaşık 2000 dereceye ısıtılmasıyla termal difüzyon süreçleri yoluyla hedef malzemenin kütlesinden ekstrakte edilirler. Üretilen izotopların kokteyli nihayetinde , istenen ilgili izobarı elde etmek için ISOLDE'nin iki manyetik çift kutuplu kütle ayırıcısından biri kullanılarak filtrelenir . Ekstraksiyon işleminin gerçekleşmesi için gereken süre, istenen izotopun doğası ve / veya hedef malzemenin doğası tarafından belirlenir ve bu yöntemle üretilebilen izotopların yarı ömrüne bir alt sınır koyar ve tipik olarak birkaç milisaniye mertebesinde. Ekstrakte edildikten sonra, izotoplar ya birkaç düşük enerjili nükleer fizik deneyinden birine ya da bir izotop toplama alanına yönlendirilir. Önceden var olan REX hızlandırıcının bir yükseltmesi, ISOLDE tesisine yapılan en son ilave , radyoizotopların daha yüksek enerjilere yeniden hızlanmasına izin veren HIE-ISOLDE süper iletken linac'tır.

Arka fon

Bir çekirdekteki proton sayısı, hangi elemente ait olduğunu belirler: nötr bir atoma sahip olmak için, atom çekirdeği etrafında aynı sayıda elektron dolaşır ve bunlar, elementin kimyasal özelliklerini tanımlar. Bununla birlikte, her biri aynı sayıda protona ancak farklı sayıda nötron içeren farklı "çekirdekler" ile belirli bir element oluşabilir . Elementin bu varyasyonlarına izotopları denir . Örneğin, karbon elementinin üç izotopu, karbon-12, karbon-13 ve karbon-14 olarak adlandırılır; Sırasıyla 6, 7, 8 nötron var. Eleman adından sonra eklenen sayılar , izotopun kütle numarasıdır , yani çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamıdır.

Çekirdek tablosu

Bir elementin her izotopu, proton ve nötron sayısına bağlı olarak farklı kararlılığa sahiptir. Çekirdekçik kelimesi, kararlılıkları ve nükleer enerji durumları açısından izotoplara atıfta bulunmak için kullanılır . Kararlı nuclides doğada ancak bulunabilir kararsız (yani radyoaktif) olanlar olamaz çünkü onlar kendiliğinden bozunma daha kararlı nüklitlerin içine. Bilim adamları, radyoaktif çekirdekler üretmek ve incelemek için hızlandırıcılar ve nükleer reaktörler kullanırlar. Nötron-proton oranı, söz konusu izotopun özellikleri üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. En önemlisi, bu oran birlikten güçlü bir şekilde ayrıldığından, izotoplar genellikle giderek daha kısa ömürlü hale gelir. Yarı ömür denilen radyoaktif bozulmalar yoluyla belirli bir çekirdek popülasyonunun yarısını kaybetmek için gereken süre , bir izotopun ne kadar kararlı olduğunun bir ölçüsüdür.

Atomlar için periyodik element tablosuna benzer şekilde, nükleitler genellikle proton numarasının y ekseni üzerinde temsil edildiği, x ekseni ise nötron sayısını temsil eden bir tabloda (Segré şeması veya nüklidler şeması olarak adlandırılır) görsel olarak temsil edilir. .

Tarih

ISOLDE için yer altı deney alanı kazısı

1950'de, iki Danimarkalı fizikçi Otto Kofoed-Hansen ve Karl-Ove Nielsen, önceki yöntemlere göre daha kısa yarı ömürlere sahip izotoplar üretmeyi sağlayan yeni bir radyoizotop üretme tekniği keşfettiler. On yıl sonra, Viyana'da , radyoizotopları ayırma konulu bir sempozyumda, bir 'çevrimiçi' izotop ayırıcı için planlar yayınlandı. Bu planları kullanarak, CERN'in Nükleer Kimya Grubu (NCG) , CERN'nin Synchro-Cyclotron tarafından gönderilen bir proton ışını tarafından bombardımana tutulan, hedef ve iyon kaynağına bağlanmış bir on-line kütle ayırıcı prototipi oluşturdu . Test başarılı oldu ve Synchro-Cyclotron'un on-line nadir izotop üretimi için uygun bir makine olduğunu gösterdi. 1964 yılında, bir izotop ayırıcı çevrim içi proje teklifi CERN Genel Direktörü tarafından kabul edildi ve ISOLDE projesi başladı.

Beş üyeden oluşan proje için "Finans Komitesi", daha sonra 12'ye kadar uzatıldı. "Finans Komitesi" terimi başka anlamlara sahip olduğundan, ISOLDE projesine ve komiteye "daha iyi bir isim bulunana kadar" karar verildi. ISOLDE Komitesi. Mayıs 1966'da Synchro-Cyclotron bazı büyük değişiklikler için kapandı. Bu modifikasyonlardan biri, proton ışınlarını ISOLDE'ye adanacak gelecekteki bir yeraltı salonuna göndermek için yeni bir tünelin inşasıydı. 1965 yılında, CERN'deki yeraltı salonu kazılırken, Aarhus'ta ISOLDE için izotop ayırıcısı inşa ediliyordu . Separatör inşaatı 1966'da iyi bir gelişme gösterdi ve yer altı salonu 1967'de tamamlandı. 16 Ekim 1967'de ilk deney yapıldı ve başarılı bir şekilde yapıldı.

ISOLDE deneysel programı başladıktan kısa bir süre sonra, SC için bazı büyük iyileştirmeler planlandı. 1972'de SC , radyofrekans sistemini değiştirerek ışın yoğunluğunu yükseltmek için kapandı . SC iyileştirme programı, birincil proton ışını yoğunluğunu yaklaşık 100 kat arttırdı. Bu yüksek yoğunluklu ISOLDE tesisinin üstesinden gelebilmek için bazı modifikasyonlara da ihtiyaç vardı. Gerekli modifikasyonlardan sonra, ISOLDE 2 olarak da bilinen yeni ISOLDE tesisi 1974 yılında hizmete girdi. Yeni hedef tasarımı, SC'den artan ışın yoğunluğu ile birleştiğinde, üretilen çekirdek sayısında önemli artışlara yol açtı. Bununla birlikte, bir süre sonra SC'den gelen harici ışın akımı sınırlayıcı bir faktör olmaya başladı. İşbirliği, tesisi daha yüksek akım değerlerine ulaşabilecek bir hızlandırıcıya taşıma olasılığını tartıştı, ancak tesis için ultra modern tasarıma sahip başka bir ayırıcı inşa etmeye karar verdi. Yeni yüksek çözünürlüklü ayırıcı ISOLDE 3, 80'lerin sonunda tam olarak kullanılıyordu. 1990 yılında, radyoaktif ışınları seçici ve verimli bir şekilde üretmek için tesiste Rezonans İyonizasyon Lazeri İyon Kaynağı (RILIS) adlı yeni bir iyon kaynağı kuruldu.

ISOLDE tesisinde kullanılan endüstriyel robotlar

Synchro-Siklotron fazla üç yıl süreyle faaliyette bulunan ettikten sonra 1990 yılında lağvedildi. Sonuç olarak, işbirliği ISOLDE tesisini Proton Synchrotron'a yeniden yerleştirmeye ve hedefleri 1 GeV güçlendiricisinden harici bir kirişe yerleştirmeye karar verdi . Yeni ISOLDE deney salonunun inşası, Synchro-Cyclotron'un hizmet dışı bırakılmasından yaklaşık üç ay önce başladı . Yer değiştirmeyle birlikte birkaç iyileştirme de geldi. Bunlardan en önemlisi, iki yeni manyetik çift kutuplu kütle ayırıcısının kurulmasıdır. Yalnızca bir mıknatıslı bir genel amaçlı ayırıcı, diğeri ise iki mıknatıslı yüksek çözünürlüklü bir ayırıcıdır. İkincisi, ISOLDE 3'ün yeniden yapılandırılmış bir versiyonudur. ISOLDE PSB olarak bilinen yeni tesiste ilk deney 26 Haziran 1992'de gerçekleştirildi. Mayıs 1995'te, tesise hedefleri ve iyonları işlemek için iki endüstriyel robot kuruldu. insan müdahalesi olmayan kaynaklar birimleri.

Tesisin bilimsel faaliyetlerini çeşitlendirmek için, 2001 yılında tesiste REX-ISOLDE (ISOLDE'de Radyoaktif ışın Deneyleri) adı verilen bir hızlandırıcı sonrası sistem başlatıldı. Bu yeni ilaveyle, yüksek enerjili radyoaktif iyon ışını gerektiren nükleer reaksiyon deneyleri artık ISOLDE'de gerçekleştirilebilir.

Tesis binası, daha fazla deney yapılmasına izin vermek için 2005 yılında genişletildi. Deney için ışın kalitesini artırmak ISCOOL, bir iyon serin ve Buncher, ayrıca 2007 yılında tesiste monte edilmiş HIE-ISOLDE ( lH üksek I ntensity ve e yükseltme ışık yoğunluğu ve enerji için nergy yükseltme) bir proje içinde onaylanmıştır 2009 ve birkaç aşamada tamamlandı. 2013 yılının sonlarında, CERN MEDICIS ( IS OLDE'den C ollected MEDIC al I sotopes) adında yeni bir tıbbi araştırma tesisinin inşasına başlandı. Tesis, bir ilk hedefi geçmiş olan proton ışınlarıyla çalışmak üzere tasarlanmıştır. Olay ışınlarının sadece% 10'u fiilen hedeflerde durdurulup amacına ulaşırken, kalan% 90'ı kullanılmamaktadır.

2013 yılında Uzun Duruş 1 sırasında üç ISOLDE binası yıkıldı. Yeni bir kontrol odası, bir veri depolama odası, üç lazer laboratuvarı, bir biyoloji ve malzeme laboratuvarı ve ziyaretçiler için bir oda olan yeni bir tek bina olarak yeniden inşa edildi. MEDICIS projesi için bir başka bina uzantısı ve gelecekte HIE-ISOLDE projesi için kullanılmak üzere elektrik, soğutma ve havalandırma sistemleri ile donatılmış birkaç diğerleri de inşa edildi. Ayrıca radyoaktif hedeflerin elleçlenmesi için kurulan robotlar daha modern robotlarla değiştirildi. 2015 yılında, HIE-ISOLDE yükseltmeleri sayesinde ilk kez bir radyoaktif izotop ışını ISOLDE tesisinde nükleon başına 4,3 MeV enerji seviyesine çıkarılabildi. 2017'nin sonlarında, CERN-MEDICIS tesisi ilk radyoizotoplarını üretti.

Tesis ve Konsept

ISOLDE tesisinin bir modeli (2017)

ISOLDE'den önce, radyoaktif çekirdekler, üretim alanından incelenmek üzere laboratuvara taşınırdı. ISOLDE'de üretimden ölçüme kadar tüm süreçler birbirine bağlıdır, yani "on-line" dır. Radyoaktif çekirdekler, partikül hızlandırıcıdan gelen protonlarla bir hedefin bombardımanıyla üretilir. Daha sonra manyetik dipol kütle ayırıcılar kullanılarak kütlelerine göre ayrılmadan önce yüzey, plazma veya lazer iyon kaynakları kullanılarak iyonize edilirler. Tercih edilen izotopun ışını üretildikten sonra, ışının yayılmasını ve enerji yayılımını azaltmak için ışın soğutulabilir ve / veya demetlenebilir. Daha sonra ışın, enerjisini artırmak için düşük enerjili deneylere veya bir hızlandırıcı sonrasına yönlendirilir.

THE ISOLDE tesisinde reaksiyonlar için ana ışın Proton Senkrotron'dan gelir . Bu gelen proton ışınının enerji değeri 1,4 GeV'dur ve ortalama yoğunluğu 2 μA'ya kadardır. Tesisin iki seperatörü vardır. Bunlardan biri genel amaçlı ayırıcı (GPS) olarak adlandırılır ve 1,5 m bükülme yarıçapına ve 70 ° bükülme açısına sahip H tipi bir mıknatısla yapılır. Çözünürlüğü yaklaşık 800'dür. Diğer ayırıcıya yüksek çözünürlüklü ayırıcı (HRS) adı verilir, iki C-tipi çift kutuplu mıknatıstan yapılır. Bükülme yarıçapları 1m ve bükülme açıları 90 ° ve 60 ° 'dir. Bu iki mıknatısın genel çözünürlüğü 7000'den daha yüksek değerlere ulaşabilir.

A sınıfı laboratuarlar, HIE-ISOLDE ve MEDICIS projeleri için binalar ve ISOLDE kontrol odaları için bir ev olarak hizmet veren bina 508 ve diğer işlemler taslakta görülebilir. Kroki üzerinde sağdan gelen PS Booster'dan gelen 1.4 GeV proton ışını, ayırıcılardan birine yönlendiriliyor. Genel amaçlı ayırıcı, ışınları, bilim adamlarının en fazla üç eşzamanlı deney yapmasına olanak tanıyan bir elektronik şalt sahasına gönderir. İki mıknatıslı ve ışın düzeltme elemanlı yüksek çözünürlüklü ayırıcı, daha yüksek kütle çözünürlük değerleri gerektiren deneyler için kullanılabilir. GPS şalt sahasından ve HRS'den bir dal, nükleer spektroskopi ve nükleer oryantasyon , lazer spektroskopisi , yüksek hassasiyetli kütle spektrometrisi, katı hal ve yüzey çalışmalarına adanmış çeşitli deneysel kurulumlara ışın sağlamak için kullanılan ortak bir merkezi ışın hattına bağlanır .

ISOLDE'deki geleneksel iyon kaynağı birimleri, yüzey veya plazma iyonizasyon tekniklerine dayanmaktadır . Bu tekniklere ek olarak, bazı elementler için elemente duyarlı izotop seçimine izin veren RILIS adlı lazer bazlı bir iyon kaynağı da kullanılmaktadır. Daha yüksek kalitede ve daha yüksek hassasiyette kirişler verebilmek için HRS ayırıcıda ISCOOL adı verilen bir iyon soğutucu ve demetleyici kullanılmaktadır. Sonuç olarak, ISOLDE tesisi periyodik tablodaki 75 elementten 1300 izotop sağlar.

ISOLDE tesisinin bir parçası olan CERN-MEDICIS projesi, tıbbi uygulamalar için radyoaktif izotoplar sağlamak üzere çalışıyor. ISOLDE tesisindeki deneyler, PS Booster'ın ışınlarındaki protonların yaklaşık yarısını kullanıyor. Işınlar, tesisteki standart bir hedefi vurduktan sonra yoğunluklarının% 90'ını korur. CERN-MEDICIS projesi, tıbbi amaçlarla radyoizotoplar üretmek için HRS hedefinin arkasına yerleştirilen bir hedef üzerinde kalan protonları kullanır. Işınlanmış hedef daha sonra ilgili izotopları ayırmak ve toplamak için otomatik bir konveyör kullanılarak MEDICIS binasına taşınır.

Bunları daha yüksek enerji seviyelerine hızlandırmak, radyoaktif izotopları daha fazla inceleyebilmek için iyi bir tekniktir. Bu amaçla ISOLDE tesisinde yeni üretilen radyoizotopları 3 MeV'ye kadar hızlandıran REX-ISOLDE isimli bir post-hızlandırıcı kullanılmaktadır. Hızlandırılmış izotoplar , yüklü parçacık detektörlerini ve MINIBALL gama ışını detektörünü içeren bir nükleer spektroskopi deneyinin hedef kurulumuna yönlendiriliyor . Başlangıçta hafif izotopları hızlandırmak için tasarlanan, REX-ISOLDE proje bu hedefe geçti ve gelen yani daha geniş bir kitle aralığı sonrası hızlandırılmış kirişler sağlanan 6 O kadar 224'e Ra. REX-ISOLDE, devreye alındığından bu yana 30'dan fazla elemandan oluşan 100'den fazla izotoptan oluşan hızlandırılmış ışınlar teslim etti.

ISOLDE gibi tesisler için üretim kirişinin sürekli artan daha yüksek kalite, yoğunluk ve enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmek çok önemlidir. Bu ihtiyaçları karşılamak için en son yanıt olarak, HIE-ISOLDE yükseltme projesi başlatıldı. Aşamalı planlaması nedeniyle, yükseltme projesi tesiste devam eden deneyler üzerinde en az etkiyle gerçekleştirilecektir. Proje, REX-ISOLDE için 10 MeV'ye kadar enerji artışının yanı sıra rezonatör ve soğutucu yükseltmeleri, PS Booster'dan gelen giriş ışınının iyileştirilmesi, hedefler, iyon kaynakları ve kütle ayırıcılarda iyileştirmeler içeriyor. 2018 itibariyle, REX-ISOLDE enerjisinin 10MeV'ye yükseltilmesi dahil olmak üzere enerji yükseltmelerinin çoğu tamamlandı ve ikinci aşama tamamlandı. Yoğunlukla ilgili yükseltmelerin üçüncü aşamada yapılması planlanıyor. Son teknoloji ürünü bir proje olarak, HIE-ISOLDE'nin ISOLDE tesisindeki araştırma fırsatlarını bir sonraki seviyeye genişletmesi bekleniyor. Tamamlandığında, yükseltilen tesis nükleer fizik , nükleer astrofizik gibi alanlarda gelişmiş deneylere ev sahipliği yapabilecek .

Katı hal fizik laboratuvarı

Isolde ekinde için en büyük katı doyurmak fizik laboratuarının 508 tane bina olduğu tedirgin açısal korelasyon onun büyük fon almak BMBF . ISOLDE'nin ışın süresinin yaklaşık% 20-25'ini kullanır. Ana odak noktası, metaller, yarı iletkenler, yalıtkanlar ve biyo-moleküller gibi işlevsel materyallerin incelenmesidir. Egzotik PAC-izotopların ana kullanım, örneğin, 111m , Cd, 199m Hg, 204 milyon gibi geçiş metali izotopları Pb malzeme araştırma için önemlidir. Çoğu izotop, dakika ve saat aralığında yarı ömürlere sahip olduğundan, deneylerin yerinde gerçekleştirilmesi gerekir. Ek yöntemler izleyici difüzyon , çevrimiçi Mössbauer spektroskopi ( 57 Mn) ve radyoaktif çekirdekli fotolüminesandır .

Sonuçlar ve Keşifler

ISOLDE tesisinde yapılan bazı fizik faaliyetlerinin listesi aşağıdadır.

  • Yeni izotopları keşfederek nüklid tablosunun genişletilmesi
  • Nükleer kütlelerin yüksek hassasiyetli ölçümleri
  • Hafif Hg izotoplarında şaşırtıcı şekil keşfi
  • İzomerik kirişlerin üretimi
  • Beta gecikmeli çok partikül emisyonunun keşfi
  • Damla sulama borusunun ötesinde nükleer rezonans sistemleri üzerine çalışmalar
  • Nükleer halo yapısının varlığının kanıtları
  • Bekleme noktası çekirdeklerinin sentezi
  • Fransiyumun atomik spektroskopisi
  • Beta-nötrino korelasyonları üzerine çalışmalar
  • Kısa ömürlü armut biçimli atom çekirdeklerinin ilk gözlemleri
  • Egzotik kalsiyum çekirdeklerinin kütle ve yük yarıçaplarının ölçümü
  • Yeni sihirli sayıların keşfi ve bazı köklü mermi kapanmalarının ortadan kalkması

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

Ayrıca bakınız