Он-лайн изотопный масс-сепаратор - On-Line Isotope Mass Separator

Логотип предприятия ISOLDE
Экспериментальный зал ISOLDE.

В Установка радиоактивных ионов ISOLDE, это он-лайн изотопный сепаратор объект, расположенный в центре ЦЕРН ускорительный комплекс на франко-швейцарской границе. Название заведения является аббревиатурой от ясотоп Sсепаратор Оп Lине DEпорок.[1] Созданная в 1964 году установка ISOLDE начала доставлять пользователям пучки радиоактивных ионов в 1967 году. Первоначально она располагалась в Синхроциклотронный ускоритель (Первый в истории ускоритель частиц ЦЕРНа), объект несколько раз модернизировался, особенно в 1992 году, когда весь объект был перемещен для подключения к ЦЕРНу. ProtonSynchroton Booster (PSB). Вступая в шестой десяток лет своего существования, ISOLDE в настоящее время является самым старым действующим предприятием ЦЕРН. От первых новаторских лучей ISOL до последних технических достижений, позволяющих получать самые экзотические виды, ISOLDE приносит пользу широкому кругу физических сообществ с приложениями, охватывающими ядерную, атомную, молекулярную физику и физику твердого тела, а также биофизику и астрофизику, а также а также высокоточные эксперименты, направленные на изучение физики за пределами Стандартной модели. Объект находится под управлением организации ISOLDE Collaboration, в которую входят ЦЕРН и пятнадцать (в основном) европейских стран. По состоянию на 2019 год более 800 экспериментаторов со всего мира (включая все континенты) приезжают в ISOLDE, чтобы проводить, как правило, 45 различных экспериментов в год.[2]

Радиоактивные ядра производятся на ISOLDE путем испускания пучка высокой энергии (1,4 ГэВ) протоны доставлен ускорителем PSBooster ЦЕРН на мишень толщиной 20 см. В зависимости от желаемого финала используются несколько целевых материалов. изотопы которые запрашиваются экспериментаторами. Взаимодействие протонного пучка с материалом мишени производит радиоактивные частицы через раскол, фрагментация и деление реакции. Впоследствии они извлекаются из основной массы материала мишени с помощью процессов термодиффузии путем нагрева мишени примерно до 2000 градусов. В конечном итоге смесь произведенных изотопов фильтруется с использованием одного из двух фильтров ISOLDE. магнитный диполь масс-сепараторы для получения интересующей желаемой изобары. Время, необходимое для протекания процесса экстракции, определяется характером желаемого изотоп и / или материала мишени и устанавливает нижний предел период полураспада изотопов, которые могут быть получены этим методом, и обычно составляет порядка нескольких миллисекунд. После извлечения изотопы направляются либо в один из нескольких низкоэнергетических ядерная физика эксперименты или область сбора изотопов. Обновление ранее существовавшего пост-ускорителя REX, последнее дополнение к объекту ISOLDE - HIE-ISOLDE сверхпроводящий линейный ускоритель, который позволяет повторно ускорять радиоизотопы до более высоких энергий.

Фон

Количество протоны в ядро определить, к какому элементу он принадлежит: чтобы иметь нейтральный атом, вокруг ядра атома циркулирует такое же количество электронов, что и определяет химические свойства элемента. Однако конкретная элемент могут встречаться с разными «ядрами», каждое из которых имеет одинаковое количество протоны но другое количество нейтроны. Эти вариации элемента называются его изотопы. Например, три изотопа элемента углерод называются углерод-12, углерод-13 и углерод-14; которые имеют 6, 7, 8 нейтронов соответственно. Цифры, добавленные после имени элемента, являются массовое число изотопа, то есть суммы количества протонов и нейтронов в ядре.

Таблица нуклидов

Каждый изотоп элемента имеет разную стабильность в зависимости от количества протонов и нейтронов. Слово нуклид используется для обозначения изотопов с точки зрения их стабильности и ядерной энергетическое состояние. Стабильные нуклиды можно найти в природе, но нестабильные (т.е. радиоактивные) не может, потому что они спонтанно распад в более стабильные нуклиды. Ученые используют ускорители и ядерные реакторы производить и исследовать радиоактивные нуклиды. Отношение нейтронов к протонам оказывает сильное влияние на свойства рассматриваемого изотопа. В частности, поскольку это соотношение сильно отличается от единицы, изотопы обычно становятся все более короткоживущими. Время, необходимое для потери половины популяции данного нуклида в результате радиоактивного распада, так называемый период полураспада, является мерой того, насколько стабилен изотоп. [3]

Подобно периодической таблице элементов для атомов, нуклиды обычно визуально представлены в таблице (так называемая диаграмма Сегре или диаграмма нуклидов), где число протонов представлено на оси y, а ось x представляет собой число нейтронов. . [4]

История

Раскопки подземной экспериментальной площадки для ISOLDE

В 1950 году два датских физика Отто Кофед-Хансен и Карл-Ове Нильсен открыли новый метод производства радиоизотопов, который позволил получать изотопы с более коротким периодом полураспада, чем предыдущие методы.[5] Десять лет спустя в Вена, на симпозиуме, посвященном разделению радиоизотопов, были опубликованы планы создания «действующего» сепаратора изотопов. Используя эти планы, Группа ядерной химии ЦЕРН (NCG) построила прототип интерактивного масс-сепаратора, соединенного с мишенью и источником ионов, который бомбардировался пучком протонов, доставленным ЦЕРНом. синхроциклотрон. Испытания прошли успешно и показали, что синхроциклотрон является подходящей машиной для производства редких изотопов в реальном времени.[6] В 1964 году генеральный директор ЦЕРН принял предложение по онлайн-проекту сепаратора изотопов, и начался проект ISOLDE.[7]

«Финансовый комитет» для проекта был создан из пяти членов, а затем увеличен до 12. Поскольку термин «Финансовый комитет» имел другие коннотации, было решено, «пока не будет найдено лучшее название», назвать проект ISOLDE, а комитет - ISOLDE комитет.[8] В мае 1966 года синхроциклотрон был остановлен для некоторых серьезных модификаций. Одной из этих модификаций было строительство нового туннеля для отправки пучков протонов в будущий подземный зал, который будет посвящен ISOLDE.[9] В 1965 году, когда проходили раскопки подземного зала ЦЕРНа, изотопный сепаратор для ISOLDE строился в Орхус. В 1966 году строительство сепаратора было продвинуто успешно, а подземный зал был завершен в 1967 году. 16 октября 1967 года был успешно проведен первый эксперимент.[10]

Вскоре после начала экспериментальной программы ISOLDE были запланированы некоторые серьезные улучшения для SC. В 1972 году КА закрылся для модернизации луч интенсивность за счет изменения ее радиочастота система. Программа усовершенствования КА увеличила интенсивность первичного протонного пучка примерно в 100 раз. Чтобы иметь возможность управлять этой высокоинтенсивной установкой ISOLDE, также потребовались некоторые модификации. После необходимых модификаций в 1974 году был запущен новый завод ISOLDE, также известный как ISOLDE 2.[11] Его новая конструкция мишени в сочетании с повышенной интенсивностью луча от КА привела к значительному увеличению количества производимых нуклидов. Однако через некоторое время внешний ток пучка от СК стал ограничивающим фактором. Сотрудничество обсудило возможность переноса установки на ускоритель, который может достигать более высоких значений тока, но решило построить для установки еще один сепаратор ультрасовременного дизайна. Новый сепаратор высокого разрешения ISOLDE 3 полностью использовался к концу 80-х годов.[12][13] В 1990 году на предприятии был установлен новый ионный источник под названием Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) для селективного и эффективного получения радиоактивных пучков.[14]

Промышленные роботы, используемые на объекте ISOLDE

В Синхро-циклотрон был выведен из эксплуатации в 1990 году, проработав более трех десятилетий. Как следствие, коллаборация решила перенести производство ISOLDE в Протонный синхротрон, и поместите мишени во внешний луч от его бустера на 1 ГэВ. Строительство нового экспериментального зала ISOLDE началось примерно за три месяца до вывода из эксплуатации Синхро-циклотрон.[13] Вместе с переездом произошло несколько обновлений. Наиболее примечательным из них является установка двух новых магнитных дипольных сепараторов массы. Один сепаратор общего назначения только с одним магнитом, а другой - сепаратор высокого разрешения с двумя магнитами.[15] Последний представляет собой реконструированную версию ISOLDE 3.[16][17] Первый эксперимент на новой установке, известной как ISOLDE PSB, был проведен 26 июня 1992 года.[18] В мае 1995 г. два промышленные роботы были установлены в установке для управления мишенями и блоками источников ионов без вмешательства человека.[19]

Чтобы разнообразить научную деятельность объекта, в 2001 году на объекте была запущена система постускорителя под названием REX-ISOLDE (эксперименты с радиоактивным пучком в ISOLDE).[20][21] Благодаря этому новому дополнению в ISOLDE теперь можно проводить эксперименты с ядерными реакциями, для которых требуется пучок радиоактивных ионов высокой энергии.[21]

В 2005 году здание лаборатории было расширено, чтобы можно было проводить больше экспериментов. В 2007 году на установке был установлен ионный охладитель и группировщик ISCOOL, повышающий качество пучка для экспериментов.[22] Кроме того, HIE-ISOLDE (ЧАСкайф яинтенсивность и Energy Upgrade), проект по повышению интенсивности и энергии пучка, был утвержден в 2009 году и был завершен в несколько этапов.[23] [24] [25] В конце 2013 года строительство нового центра медицинских исследований под названием CERN MEDICIS (МЕДИКАаль ясотопы Cвыбран из ЯВЛЯЕТСЯOLDE) запустился. Установка предназначена для работы с протонными пучками, которые уже миновали первую мишень. Из падающих лучей только 10% фактически останавливаются в целях и достигают своей цели, а остальные 90% не используются.[26]

В 2013 году во время Длительное отключение 1,[27] снесены три здания ISOLDE. Они были построены снова как новое отдельное здание с новой диспетчерской, комнатой для хранения данных, тремя лазерными лабораториями, лабораторией биологии и материалов и комнатой для посетителей. Также были построены еще одно расширение здания для проекта MEDICIS и несколько других, оборудованных системами электричества, охлаждения и вентиляции, которые будут использоваться для проекта HIE-ISOLDE в будущем. Кроме того, роботы, которые были установлены для обработки радиоактивных целей, были заменены более современными роботами.[28] В 2015 году впервые пучок радиоактивных изотопов мог быть ускорен до уровня энергии 4,3 МэВ на нуклон на установке ISOLDE благодаря модернизации HIE-ISOLDE.[29] В конце 2017 года на предприятии CERN-MEDICIS были произведены первые радиоизотопы.[30]

Объект и концепция

Макет объекта ISOLDE (2017)

Перед ISOLDE радиоактивные нуклиды перевозились с производственной площадки в лабораторию для исследования. В ISOLDE, от производства до измерений, все процессы связаны между собой, или, другими словами, они находятся «в режиме онлайн». Радиоактивные нуклиды образуются при бомбардировке мишени протонами из ускорителя частиц. Затем они ионизируются с использованием поверхностных, плазменных или лазерных источников ионов перед разделением по массе с помощью магнитных дипольных сепараторов массы. После получения пучка предпочтительного изотопа пучок можно охладить и / или сгруппировать для уменьшения эмиттанса и разброса энергии пучка. Затем луч направляется либо в низкоэнергетические эксперименты, либо в постускоритель для увеличения его энергии.[3][31]

На установке THE ISOLDE главный луч для реакций исходит от Протонный синхротрон. Этот входящий протонный пучок имеет значение энергии 1,4 ГэВ, а его средняя интенсивность составляет до 2 мкА. В установке два сепаратора. Один из них называется сепаратором общего назначения (GPS) и состоит из магнита H-типа с радиусом изгиба 1,5 м и углом изгиба 70 °. Его разрешение составляет примерно 800. Другой сепаратор, называемый сепаратором высокого разрешения (HRS), состоит из двух дипольных магнитов C-типа. Их радиус изгиба составляет 1 м, а углы изгиба - 90 ° и 60 °. Общее разрешение этих двух магнитов может достигать значений выше 7000.

Лаборатории класса А,[32] здания для проектов HIE-ISOLDE и MEDICIS, а также здание 508, которое служит домом для диспетчерских пунктов ISOLDE, а также для других операций, можно увидеть на эскизе. Пучок протонов с энергией 1,4 ГэВ от бустера PS, идущий справа на эскизе, направляется к одному из сепараторов. Сепаратор общего назначения направляет лучи на электронную подстанцию, что позволяет ученым проводить до трех одновременных экспериментов. Сепаратор высокого разрешения с двумя магнитами и элементами коррекции пучка может использоваться для экспериментов, требующих более высоких значений разрешения по массе. Одна ветвь от распределительного устройства GPS и HRS подключена к общей центральной линии луча, которая используется для передачи луча в различные экспериментальные установки, предназначенные для ядерная спектроскопия и ядерная ориентация, лазерная спектроскопия, высокоточная масс-спектрометрия, твердое состояние и поверхность исследования.[33]

Традиционные блоки ионных источников в ISOLDE основаны на поверхность или ионизация плазмы техники. В дополнение к этим методам для некоторых элементов также используется лазерный источник ионов под названием RILIS, который позволяет осуществлять чувствительный к элементу выбор изотопов. Чтобы иметь возможность доставлять пучки с более высоким качеством и повышенной чувствительностью, в сепараторе HRS используется ионный охладитель и группирующая машина ISCOOL. В целом, установка ISOLDE обеспечивает получение 1300 изотопов из 75 элементов периодической таблицы.[17]

Проект CERN-MEDICIS, который является частью объекта ISOLDE, выполняется для поставки радиоактивных изотопов для медицинских приложений. В экспериментах на установке ISOLDE используется около половины протонов в пучках от PS Booster. Лучи сохраняют 90% своей интенсивности после попадания в стандартную цель на объекте. Проект CERN-MEDICIS использует оставшиеся протоны на мишени, расположенной за мишенью HRS, для производства радиоизотопов для медицинских целей. Затем облученная мишень переносится в здание MEDICIS с помощью автоматизированного конвейера для разделения и сбора интересующих изотопов.[17]

Ускорение их до более высоких уровней энергии - хороший метод для дальнейшего изучения радиоактивных изотопов. С этой целью на установке ISOLDE используется постускоритель под названием REX-ISOLDE, который ускоряет вновь полученные радиоизотопы до 3 МэВ. Ускоренные изотопы направляются к целевой установке ядерная спектроскопия эксперимент, включающий детекторы заряженных частиц и MINIBALL гамма-луч детектор. Первоначально предназначенный для ускорения легких изотопов, проект REX-ISOLDE достиг этой цели и предоставил постускоренные пучки более широкого диапазона масс, а именно от 6Он до 224Ра. С момента ввода в эксплуатацию REX-ISOLDE поставила ускоренные пучки из более чем 100 изотопов более 30 элементов.

Для таких предприятий, как ISOLDE, очень важно иметь возможность удовлетворить постоянно растущие потребности в более высоком качестве, интенсивности и энергии производственного луча. В качестве последнего ответа для удовлетворения этих потребностей был начат проект модернизации HIE-ISOLDE. Благодаря поэтапному планированию проект модернизации будет выполнен с наименьшим влиянием на продолжающиеся эксперименты на объекте. Проект включает увеличение энергии для REX-ISOLDE до 10 МэВ, а также резонатор и модернизация кулера, усиление входного луча от PS Booster, улучшения мишеней, источников ионов и масс-сепараторов. По состоянию на 2018 год большая часть энергетических обновлений, включая увеличение энергии REX-ISOLDE до 10 МэВ, завершена, и второй этап завершен. Обновление интенсивности планируется провести на третьем этапе. Ожидается, что как современный проект HIE-ISOLDE расширит исследовательские возможности на объекте ISOLDE до следующего уровня. После завершения модернизированный объект сможет проводить расширенные эксперименты в таких областях, как ядерная физика, ядерная астрофизика.

Лаборатория физики твердого тела

Прикрепленный к ISOLDE находится в здании 508, одной из крупнейших лабораторий физики твердого тела для возмущенная угловая корреляция которые получают основное финансирование от BMBF. Он использует около 20-25% времени луча ISOLDE. Его основное внимание уделяется изучению функциональных материалов, таких как металлы, полупроводники, диэлектрики и биомолекулы. Основное использование экзотических PAC-изотопов, таких как 111мКомпакт диск, 199 кв.м.Hg, 204 кв.м.Pb, а также изотопы переходных металлов важны для исследования материалов. Поскольку у многих изотопов период полураспада находится в диапазоне минут и часов, эксперименты необходимо проводить на месте. Дополнительные методы: распространение трассера, онлайн-Мессбауэровская спектроскопия (57Mn) и фотолюминесценция с радиоактивными ядрами.

Результаты и открытия

Ниже приведен список некоторых физических работ, выполненных на объекте ISOLDE.[34][35]

  • Продление таблица нуклидов открывая новые изотопы
  • Высокоточные измерения ядерных масс
  • Открытие ошеломляющей формы легких изотопов ртути
  • Изготовление изомерные пучки
  • Открытие многочастичного излучения с задержкой бета-излучения
  • Исследования систем ядерного резонанса за пределами капельная линия
  • Доказательства существования структуры ядерного гало
  • Синтез ядер точки ожидания
  • Атомная спектроскопия франций
  • Исследования корреляций бета-нейтрино
  • Первые наблюдения короткоживущих атомных ядер грушевидной формы
  • Измерение массы и зарядового радиуса экзотических кальций ядра
  • Открытие нового магические числа и исчезновение некоторых хорошо зарекомендовавших себя закрытий оболочки

Рекомендации

  1. ^ "История". ISOLDE Установка радиоактивных ионных пучков. ЦЕРН. Получено 8 августа 2019.
  2. ^ «Активные эксперименты». ISOLDE Web. ЦЕРН. Получено 10 сентября 2019.
  3. ^ а б «Он-лайн проект изотопного сепаратора ISOLDE». ЦЕРН Курьер. 7 (2): 22–27. Февраль 1967 г.. Получено 26 августа 2019.
  4. ^ "ISOLDE Изучение экзотических ядер" (PDF). ISOLDE Web. ЦЕРН. Получено 27 августа 2019.
  5. ^ «Кофед-Хансен и Нильсен производят короткоживущие радиоактивные изотопы». Сроки. ЦЕРН. Получено 8 августа 2019.
  6. ^ «Планы по разделению изотопов опубликованы». Сроки. ЦЕРН. Получено 8 августа 2019.
  7. ^ «ЦЕРН одобрил проект онлайн-сепаратора». Сроки. ЦЕРН. Получено 8 августа 2019.
  8. ^ Криг, Джон (18 декабря 1996). История ЦЕРН, III: Том 3 (History of Cern, Vol 3). Северная Голландия. С. 327–413. ISBN  0444896554. Получено 9 августа 2019.
  9. ^ «Синхроциклотрон выключается». Сроки. ЦЕРН. Получено 9 августа 2019.
  10. ^ Jonson, B .; Рихтер, А. (декабрь 2000 г.). «Более трех десятилетий физики ISOLDE». Сверхтонкие взаимодействия. 129 (1–4): 1–22. Bibcode:2000HyInt.129 .... 1J. Дои:10.1023 / А: 1012689128103.
  11. ^ «Планы по остановке синхроциклотрона». Сроки. ЦЕРН. Получено 27 августа 2019.
  12. ^ «Дизайн ISOLDE III одобрен». Сроки. ЦЕРН. Получено 27 августа 2019.
  13. ^ а б Джонсон, Бьорн (апрель 1993 г.). «ISOLDE и ее вклад в ядерную физику в Европе». Отчеты по физике. 225 (1–3): 137–155. Bibcode:1993ФР ... 225..137Дж. Дои:10.1016 / 0370-1573 (93) 90165-А.
  14. ^ «Разработан лазерный ионный источник РИЛИС». Сроки. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  15. ^ Catherall, R; Андреацца, Вт; Breitenfeldt, M; Дорсиваль, А; Фокер, Дж. Дж .; Гарса, Т. П.; Т. Дж., Джайлз; Grenard, JL; Locci, F; Мартинс, П; Марзари, S; Шиппер, Дж; Шорников, А; Стора, Т (2017). «Объект ISOLDE». Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц. 44 (9): 094002. Bibcode:2017JPhG ... 44i4002C. Дои:10.1088 / 1361-6471 / aa7eba. ISSN  0954-3899.
  16. ^ «Торжественное открытие нового объекта ISOLDE PSB». Сроки. ЦЕРН. Получено 29 августа 2019.
  17. ^ а б c Борге, Мария Дж. Дж .; Джонсон, Бьорн (9 марта 2017 г.). "ISOLDE прошлое, настоящее и будущее" (PDF). Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц. 44 (4): 044011. Bibcode:2017JPhG ... 44d4011B. Дои:10.1088 / 1361-6471 / aa5f03.
  18. ^ «Первый эксперимент на протонно-синхротронном ускорителе ISOLDE». Сроки. ЦЕРН. Получено 29 августа 2019.
  19. ^ «Первое использование роботов для целевого вмешательства». Сроки. ЦЕРН. Получено 29 августа 2019.
  20. ^ «Вокруг лабораторий - экзотические лучи». ЦЕРН Курьер. 35 (9): 2 декабря 1995 г.. Получено 29 августа 2019.
  21. ^ а б «Новый мир радиоактивных исследований появляется, поскольку ЦЕРН продвигает изотопы с еще большей скоростью». Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 2 сентября 2019.
  22. ^ «Лучшая лучшая для ISOLDE». Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  23. ^ «Проект HIE-ISOLDE одобрен». Сроки. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  24. ^ "ISOLDE получает новую лазерную систему". Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  25. ^ "Основание для HIE-ISOLDE". Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  26. ^ Шеффер, Анаис (2 апреля 2012 г.). «ЦЕРН приступит к производству медицинских изотопов». Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  27. ^ «Длительное отключение 1: впереди захватывающие времена». Новости. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  28. ^ "ISOLDE снова в цель". Сервер документов ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  29. ^ «Первый пучок радиоактивных изотопов, ускоренный в HIE ISOLDE». Сроки. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  30. ^ «Новый центр ЦЕРН может помочь в медицинских исследованиях рака». Сроки. ЦЕРН. Получено 4 сентября 2019.
  31. ^ «Более высокие энергии для пучков радиоактивных ионов ISOLDE». HIE-ISOLDE Web. ЦЕРН. Получено 11 сентября 2019.
  32. ^ Catherall, R .; Дорсиваль, А .; Giles, T .; Lettry, J .; Lindroos, M .; Muller, A .; Отто, Т .; Тирольф, П. (27 декабря 2004 г.). «Модернизация радиоактивной лаборатории в ISOLDE, ЦЕРН». Ядерная физика A. 746 (Труды Шестой Международной конференции по радиоактивным ядерным пучкам (RNB6)): 379–383. Bibcode:2004НуФА.746..379С. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2004.09.138.
  33. ^ «Мишени и разделители». ISOLDE Web. ЦЕРН. Получено 10 сентября 2019.
  34. ^ Джонсон, Бьорн; Риисагер, Карстен. «Объект ISOLDE». Scholarpedia. Получено 12 сентября 2019.
  35. ^ "ISODLE Хронология". Сроки. ЦЕРН. Получено 12 сентября 2019.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Смотрите также