De buitenste rijken van het periodiek systeem, waar stabiel, langlevende isotopen maken plaats voor radioactieve ionen, bieden kernwetenschappers een uniek kijkje in de structuur van kernen en een beter begrip van hoe de verschillende elementen in ons universum zijn ontstaan ​​als gevolg van stellaire fusie of supernova-explosies.

Om bundels radioactieve isotopen te produceren en te versnellen voor natuurkundige experimenten, wetenschappers wenden zich tot faciliteiten zoals het Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Argonne National Laboratory voor de studie van kernfysica. Sinds de eerste succesvolle versnelling van een ionenbundel door het prototype van de ATLAS-faciliteit in 1978, ATLAS is doorgegaan met het introduceren van componenten die unieke bundelselecties toevoegen en de bundelkwaliteit drastisch verbeteren, waaronder de recente toevoegingen van het Electron Beam Ion System (EBIS) en de Argonne In-Flight Radioactive Ion Separator (RAISOR).

ATLAS begon zijn leven in de eerste plaats als een stabiele beam-faciliteit, maar in de loop van de afgelopen twee decennia hebben wetenschappers baanbrekend werk verricht voor het ontwikkelen van radioactieve ionenbundels. In 2009, Argonne heeft aan ATLAS een systeem toegevoegd met de naam CARIBU, voor Californium Rare Ion Breeder Upgrade, die in staat is bundels van zeldzame isotopen te genereren.

Om de balken van CARIBU klaar te maken voor acceleratie in ATLAS, is speciale preconditionering nodig, zei Argonne-fysicus Clay Dickerson. CARIBU werkt door vervalproducten van een bron van radioactief californium-252 in heliumgas te vertragen.

"Het is alsof je door een ballenbak probeert te rennen; de fragmenten verliezen wat van hun energie, "Zei Dickerson. "Met wat slimme manipulatie, we kunnen magneten gebruiken om ionen te selecteren met de specifieke massa's die we willen." Het CARIBU-systeem kan verschillende isotopen scheiden, zolang hun massa maar één deel op 15 verschilt, 000.

Zodra kernfysische onderzoekers een bepaalde isotoopbundel selecteren, het moet uiteindelijk worden versneld in ATLAS. Om dit te bereiken, Dickerson en zijn collega's rustten ATLAS uit met de nieuwe EBIS, waardoor de bundel zich kan aanpassen aan de versnellende structuren door de positieve lading van de ionenbundel te vergroten.

De EBIS doet dit door een hoogenergetische elektronenstraal op de ionen te schieten, die elk ongeveer 40 tot 50 elektronen hebben. Terwijl de EBIS-elektronenstraal de elektronen rond de radioactieve ionen afsnijdt, de ladingstoestand van de ionen wordt steeds positiever, waardoor ze efficiënt kunnen worden versneld.

Hoewel EBIS goed is in het voorbereiden van bundels van relatief zware isotopen - die met tientallen protonen - biedt de RAISOR-faciliteit wetenschappers een manier om die lichtere isotopen naar de top van het periodiek systeem te onderzoeken. Om deze radioactieve stralen te genereren, onderzoekers moeten eerst beginnen met een stabiele straal en deze vervolgens laten botsen met een doelwit. Zodra ze de straal van interesse genereren, kernfysici van ATLAS kunnen er stroomafwaarts verdere experimenten mee doen.

"Deze methode - het produceren van radioactieve stralen 'in-flight' - is handig en veelzijdig, en beter de verkenning van een aanzienlijk deel van de bijna-stabiliteit mogelijk maakt, isotopen met lage massa, ', aldus Dickerson.

Hoewel RAISOR niet het eerste ATLAS-systeem voor de productie van bundels tijdens de vlucht is, het pakt een aantal uitdagingen aan die met het vorige systeem werden ervaren, die in de eerste plaats een prototype-machine was die werd gebruikt om een ​​proof of principle te bieden. Bijvoorbeeld, RAISOR heeft een speciale bundeldump die kan worden gebruikt om de bundel te absorberen die wordt gebruikt om de radioactieve bundels te maken, waardoor wetenschappers een veel eenvoudigere manier hebben om de kracht van de straal te beheersen. "RAISOR duwt onze eerdere beperkingen echt verder naar buiten, zodat we naar een hogere intensiteit kunnen gaan en meer stralen kunnen produceren, ', aldus Dickerson.

De recente verbeteringen van ATLAS met EBIS en RAISOR bij ATLAS zullen wetenschappers helpen de structuren van exotische elementen te onderzoeken, de aard van de kernkrachten bestuderen, en de productie van elementen in sterren en supernova's beter te begrijpen.