Giver ATLAS et løft

De ydre områder af det periodiske system, hvor stabilt, langlivede isotoper viger for radioaktive ioner, tilbyde atomforskere et unikt indblik i kernernes struktur og en bedre forståelse af, hvordan de forskellige grundstoffer i vores univers blev til som et resultat af stjernefusion eller supernovaeksplosioner.

At producere og accelerere stråler af radioaktive isotoper til fysikeksperimenter, forskere henvender sig til faciliteter som Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility placeret ved Argonne National Laboratory til undersøgelse af kernefysik. Siden den første vellykkede acceleration af en ionstråle af prototypen ATLAS-anlæg i 1978, ATLAS har fortsat med at introducere komponenter, der tilføjer unikke strålevalg og dramatisk forbedrer strålekvaliteten, herunder de seneste tilføjelser af Electron Beam Ion System (EBIS) og Argonne In-Flight Radioactive Ion Separator (RAISOR).

ATLAS begyndte sit liv primært som et stabilt bjælkeanlæg, men i løbet af de sidste to årtier har videnskabsmænd været banebrydende teknikker til at udvikle radioaktive ionstråler. I 2009 Argonne tilføjede til ATLAS et system kaldet CARIBU, til Californium Rare Ion Breeder Upgrade, som er i stand til at generere stråler af sjældne isotoper.

At gøre CARIBUs bjælker klar til acceleration i ATLAS kræver særlig forkonditionering, sagde Argonne-fysiker Clay Dickerson. CARIBU virker ved at bremse nedbrydningsprodukter fra en kilde til radioaktivt californium-252 i heliumgas.

"Det er som at prøve at løbe gennem en kuglegrav; fragmenterne mister noget af deres energi, " sagde Dickerson. "Med nogle smarte manipulationer, vi kan bruge magneter til at udvælge ioner med de specifikke masser, vi ønsker." CARIBU-systemet kan adskille forskellige isotoper, så længe deres masser afviger med en del i 15, 000.

Når kernefysikforskere har valgt en bestemt isotopstråle, den skal til sidst accelereres i ATLAS. For at opnå dette, Dickerson og hans kolleger udstyrede ATLAS med den nye EBIS, som gør det muligt for strålen at matche de accelererende strukturer ved at øge ionstrålens positive ladning.

EBIS gør dette ved at skyde en højenergielektronstråle mod ionerne, som hver har omkring 40 til 50 elektroner. Når EBIS elektronstrålen fjerner elektronerne omkring de radioaktive ioner, ladningstilstanden af ​​ionerne bliver mere og mere positiv, gør det muligt at accelerere dem effektivt.

Mens EBIS er god til at forberede stråler af relativt tunge isotoper - dem med snesevis af protoner - giver RAISOR-faciliteten videnskabsmænd en måde at undersøge de lettere isotoper mod toppen af ​​det periodiske system. For at generere disse radioaktive stråler, forskere skal først starte med en stabil stråle og derefter kollidere den med et mål. Når de genererer interessestrålen, kernefysikere ved ATLAS kan udføre yderligere eksperimenter med det nedstrøms.

"Denne metode - at producere radioaktive stråler 'under flyvning' - er praktisk og alsidig, og muliggør bedre udforskning af en betydelig del af næsten-stabiliteten, lavmasse isotoper, " sagde Dickerson.

Selvom RAISOR ikke er ATLAS' første stråleproduktionssystem under flyvningen, det løser en række udfordringer, der er oplevet med det tidligere system, som primært var en prototypemaskine, der blev brugt til at tilbyde et principbevis. For eksempel, RAISOR har en dedikeret stråledump, der kan bruges til at absorbere den stråle, der bruges til at skabe de radioaktive stråler, giver forskerne en meget nemmere måde at kontrollere strålens kraft på. "RAISOR skubber virkelig vores tidligere begrænsninger længere ud, så vi kan gå til højere intensitet og producere flere stråler, " sagde Dickerson.

De seneste forbedringer af ATLAS med EBIS og RAISOR på ATLAS vil hjælpe forskere med at undersøge strukturerne af eksotiske elementer, studere arten af ​​atomkræfterne, og bedre forstå produktionen af ​​grundstoffer i stjerner og supernovaer.