Een nieuw hulpmiddel bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy zal het opnemen tegen enkele van de nieuwste zwaargewichtkampioenen van het periodiek systeem om te zien hoe hun massa's zich meten met voorspellingen.

Nagesynchroniseerd FIONA, het apparaat is ontworpen om de massagetallen van individuele atomen van superzware elementen te meten, die een hogere massa hebben dan uranium.

"Zodra we die massagetallen hebben bepaald, we zullen FIONA gebruiken om meer te weten te komen over de vorm en structuur van zware kernen, begeleiden bij het zoeken naar nieuwe elementen, en om ons betere metingen te geven voor kernsplijting en aanverwante processen in kernfysica en kernchemieonderzoek, " zei Kenneth Gregorich, een senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab die betrokken is geweest bij het bouwen en testen van FIONA.

De volledige naam van FIONA is "Voor de identificatie van nuclide A." De "A" is een wetenschappelijk symbool dat het massagetal vertegenwoordigt - de som van protonen, die positief geladen zijn, en neutronen, die geen elektrische lading hebben - in de kern van een atoom. Het aantal protonen, ook wel het atoomnummer genoemd, is uniek voor elk element en vormt de basis voor de rangschikking van elementen in het periodiek systeem.

FIONA bouwt voort op een lange geschiedenis van expertise in ontdekkingen van zware elementen en kernfysisch onderzoek in Berkeley Lab. De wetenschappers van het Lab zijn betrokken geweest bij de ontdekking van 16 elementen en ook verschillende vormen van elementen, bekend als isotopen, die verschillende aantallen neutronen hebben.

Kernfysici hebben de bekende massa's van "dochteratomen" van radioactief verval gebruikt als een raamwerk voor het bepalen van de massa's voor deze zwaardere "ouder" elementen.

Eerdere experimenten hebben ook geholpen om de massa's van enkele van de superzware elementen in kaart te brengen. Maar het bepalen van het massagetal van enkele van de zwaarste elementen is buiten bereik gebleven omdat het een uitdaging is om geïsoleerde atomen te produceren en te meten voordat ze snel vervallen.

De metingen van FIONA zullen naar verwachting een beter fundamenteel begrip opleveren van de samenstelling van deze vervaardigde superzware atoomkernen.

"We zullen de grenzen van nucleaire stabiliteit verkennen, het beantwoorden van basisvragen zoals hoeveel protonen je in een kern kunt stoppen, ' zei Gregorich.

Een heilige graal op dit gebied is het bereiken van het zogenaamde "eiland van stabiliteit, " een nog onontgonnen gebied in de kaart van kernen waar door mensen gemaakte isotopen worden verondersteld lang te leven.

"We zullen misschien de rand van dit 'eiland' onderzoeken - theorieën informeren die dergelijke dingen voorspellen, zodat ze kunnen worden verfijnd, ' zei Gregorich.

FIONA werd in november 2016 geïnstalleerd in de 88-inch Cyclotron van Berkeley Lab, die intense deeltjesbundels produceert voor kernfysische experimenten en om de stralingshardheid van computerchips voor gebruik in satellieten te testen, en heeft sindsdien een reeks tests ondergaan om het voor te bereiden op een eerste ronde experimenten deze zomer. FIONA is een verbetering van een langlopende machine, de Berkeley Gas-Filled Separator (BGS) genaamd, die atomen van superzware elementen scheidt van andere soorten geladen deeltjes.

"De taak van de separator is om de zware elementen van belang te scheiden van de straal en andere ongewenste reactieproducten, " Gregorich zei, en FIONA is ontworpen om de gewenste atomen weg te halen uit deze "lawaaierige" omgeving en ze snel binnen ongeveer 10 duizendste van een seconde te meten.

Dit is belangrijk omdat de door de mens gemaakte superzware elementen die tot nu toe zijn ontdekt een zeer korte halfwaardetijd hebben, in sommige gevallen vervallen tot lichtere elementen op schalen gemeten in duizendsten van een seconde.

FIONA-componenten omvatten een nieuwe afschermingswand die is ontworpen om achtergrondgeluid van andere geladen deeltjes te verminderen, een gespecialiseerd vangmechanisme voor atomen, en een gevoelige op silicium gebaseerde detectorarray die de energie kan meten, positie, en timing van het verval van radioactieve atomen.

Verschillende componenten van FIONA werden gebouwd in opdracht van Argonne National Laboratory, en de massa-analysator is ontworpen en gebouwd in Berkeley Lab.

"Het ontwerp voor FIONA is praktisch, flexibel, en uniek, Gregorich zei. "We keken naar verschillende manieren om massascheiding uit te voeren, en al het andere was ofwel duurder of moeilijker."

De eerste stralen die zullen worden geproduceerd bij de 88-inch Cyclotron voor de vroege FIONA-experimenten, zullen een isotoop van calcium gebruiken die wordt versneld om een ​​doelwit te raken dat een zwaar element bevat - typisch door de mens gemaakt americium, dat zwaarder is dan plutonium. Dit bombardement versmelt een deel van de atoomkernen om nog zwaardere atomen te produceren.

Jackie Gates, een stafwetenschapper in de Nuclear Science Division en een leider van het FIONA-team, zei, "Sommige andere apparaten hebben een veel hogere massaresolutie, maar een lagere efficiëntie - FIONA zal de hoogste efficiëntie hebben." Deze hogere efficiëntie betekent dat FIONA in een bepaalde tijd meer atomen van een specifiek superzwaar element kan isoleren en meten dan vergelijkbare apparaten.

Toch, het creëren van de zwaarste atomen die tot nu toe zijn ontdekt, is een uitdaging:van alle deeltjes die door de separator stromen, misschien zal één op een triljoen (één gevolgd door 18 nullen) die het experiment bereikt een superzwaar element van belang vormen.

Dat vertaalt zich in de productie van mogelijk één atoom van belang per dag, en er zijn verschillende detecties nodig om het massagetal te bepalen, zei Gates.

Na scheiding in de Berkeley Gas gevulde Separator, atomen van belang zijn gevangen, gebundeld, en gekoeld in een apparaat dat bekend staat als een radiofrequente quadrupoolval.

Ze worden vervolgens door de FIONA-massascheider gestuurd, die gekruiste elektrische en magnetische velden bevat. In de scheidingsteken, de ionen nemen een lusvormig traject aan, sturen ze naar de detector met posities bepaald door hun massa-tot-lading verhouding. De positie in de detector waar het radioactieve verval van het superzware element wordt gedetecteerd, geeft het massagetal.

De ingebruikname van FIONA moet dit voorjaar worden afgerond, Gates zei, en een van de hoofdexperimenten voor het nieuwe apparaat zal zijn om vervalprocessen te bestuderen die verband houden met element 115, onlangs genaamd moscovium (het symbool van het periodiek systeem is "Mc").

"De Berkeley Gas-gevulde Separator gaf ons 20 jaar wetenschap, "Geert zei, "en nu kijken we ernaar om dit met FIONA nog eens 10 tot 20 jaar te verlengen."