Войти
Логотип объекта ISOLDE 
Экспериментальный зал ISOLDE. Комплекс радиоактивных ионов ISOLDE, представляет собой оперативную установку для разделения изотопов , расположенную в центре ускорительного комплекса CERN на франко-швейцарской границе. Название объекта является аббревиатурой от I sotope S eparator On Line DE vice. Созданный в 1964 году, объект ISOLDE начал доставлять пучки радиоактивных ионов пользователям в 1967 году. Первоначально расположенный на SynchroCyclotron ускорителе (первый в истории ускоритель частиц ЦЕРН), объект был модернизирован несколько раз, особенно в 1992 году, когда весь объект был перемещен для подключения к CERN 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 управляется коллаборацией ISOLDE, 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.
Радиоактивные ядра производятся в ISOLDE путем выстрела высокоэнергетическим (1,4 ГэВ)) пучок протонов, доставленный ускорителем PSBooster ЦЕРН на мишень толщиной 20 см. Несколько целевых материалов используются в зависимости от желаемых конечных изотопов, которые запрашиваются экспериментаторами. Взаимодействие протонного пучка с материалом мишени приводит к образованию радиоактивных частиц в результате реакций расщепления, фрагментации и деления. Впоследствии они извлекаются из основной массы материала мишени с помощью процессов термодиффузии путем нагрева мишени примерно до 2000 градусов. Смесь произведенных изотопов в конечном итоге фильтруется с использованием одного из двух магнитных дипольных масс-сепараторов ISOLDE, чтобы получить желаемую интересующую изобару. Время, необходимое для осуществления процесса экстракции, продиктовано природой желаемого изотопа и / или материала мишени и устанавливает нижний предел периода полураспада изотопов. которые могут быть созданы этим методом и обычно составляют несколько миллисекунд. После извлечения изотопы направляются либо в один из нескольких низкоэнергетических ядерно-физических экспериментов, либо в зону сбора изотопов. Модернизация существующего постускорителя REX, последнее дополнение к установке ISOLDE - это сверхпроводящий линейный ускоритель HIE-ISOLDE , который позволяет повторно ускорять радиоизотопы до более высоких энергий.
Количество протонов в ядре определяет, к какому элементу оно принадлежит: иметь нейтральный атом, такое же количество электронов циркулирует вокруг атомного ядра, и они определяют химические свойства элемента. Однако конкретный элемент может встречаться с разными «ядрами», каждое из которых имеет одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Эти разновидности элемента называются его изотопами. Например, три изотопа элемента углерод называются углеродом-12, углеродом-13 и углеродом-14; которые имеют 6, 7, 8 нейтронов соответственно. Цифры, добавленные после названия элемента, представляют собой массовое число изотопа, то есть сумму 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 в отношении их стабильности и ядерного энергетического состояния. Стабильные нуклиды можно найти в природе, но нестабильные (т.е. радиоактивные) нельзя, потому что они спонтанно распадаются на более стабильные нуклиды. Ученые используют ускорители и ядерные реакторы для производства и исследования радиоактивных нуклидов. Отношение нейтронов к протонам оказывает сильное влияние на свойства рассматриваемого изотопа. В частности, поскольку это отношение 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.
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 ординат, в то время как х -axis представляет собой количество нейтронов.
Раскопки подземной экспериментальной площадки для ISOLDE В 1950 году два датских физика Отто Кофоед-Хансен и Карл-Уве Нильсен открыли новую технику производства радиоизотопов, которая позволила производить изотопы с более короткими половинками. живет, чем предыдущие методы. Десять лет спустя, в Вене, на симпозиуме, посвященном разделению радиоизотопов, были опубликованы планы «интерактивного» 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 синхроциклотроном. Испытания прошли успешно и показали, что синхроциклотрон является подходящей машиной для производства редких изотопов в реальном времени. В 1964 году генеральный директор ЦЕРН принял предложение по онлайн-проекту сепаратора изотопов, и начался проект ISOLDE.
«Финансовый комитет» для этого проекта был создан из пяти членов, затем расширен до 12. Поскольку термин «Финансовый комитет» имел другие коннотации, было решено «до тех пор, пока не будет найдено лучшее название», назвать проект ISOLDE, а комитет - Комитетом ISOLDE. В мае 1966 года синхроциклотрон был остановлен для внесения некоторых серьезных изменений. Одной из этих модификаций было строительство нового туннеля для отправки пучков протонов в будущий подземный зал, который будет посвящен ISOLDE. В 1965 г., когда проходили раскопки подземного зала ЦЕРНа, в Орхусе строился изотопный сепаратор для ISOLDE. Строительство сепаратора успешно продвинулось в 1966 году, а подземный зал был завершен в 1967 году. 16 октября 1967 года был успешно проведен первый эксперимент.
Вскоре после начала экспериментальной программы ISOLDE были запланированы некоторые важные улучшения для SC.. В 1972 году КА закрылся, чтобы повысить интенсивность его луча, изменив его радиочастотную систему. 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 была запущена новая установка ISOLDE, также известная как ISOLDE 2. Ее 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 еще один сепаратор ультрасовременного дизайна для установки. Новый сепаратор высокого разрешения ISOLDE 3 полностью использовался к концу 80-х годов. В 1990 году на предприятии был установлен новый ионный источник под названием Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) для избирательного и эффективного получения радиоактивных лучей.
Промышленные роботы, используемые на объекте ISOLDE Синхроциклотрон был выведен из эксплуатации в 1990 году, проработав более трех десятилетий. Как следствие, коллаборация решила переместить установку ISOLDE в протонный синхротрон и поместить мишени во внешний луч от его бустера на 1 ГэВ. Строительство нового экспериментального зала ISOLDE началось примерно за три месяца до вывода из эксплуатации синхроциклотрона. 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. Последний представляет собой реконструированную версию ISOLDE 3. Первый эксперимент на новом объекте, известном как ISOLDE PSB, был проведен 26 июня 1992 года. В мае 1995 года на предприятии были установлены два промышленных робота. для работы с мишенями и ионными источниками без вмешательства человека.
Чтобы разнообразить научную деятельность объекта, в 2001 году на объекте была открыта система постускорителя под названием REX-ISOLDE (эксперименты с радиоактивным пучком в ISOLDE).. Благодаря этому новому дополнению, эксперименты по ядерным реакциям, для которых требуется пучок высокоэнергетических радиоактивных ионов, теперь могут проводиться в ISOLDE.
Здание установки было расширено в 2005 году, чтобы можно было проводить больше экспериментов. В 2007 году на объекте был установлен ионный охладитель и группировщик ISCOOL, повышающий качество пучка для экспериментов. Кроме того, HIE-ISOLDE (H igh I ntensity и E nergy Upgrade), проект по повышению интенсивности и энергии пучка, был утвержден в 2009 году и был завершен в несколько этапов. В конце 2013 года строительство нового центра медицинских исследований под названием CERN MEDICIS (MEDIC al I sotopes C выбран из IS OLDE) началось. Установка предназначена для работы с пучками протонов, которые уже миновали первую мишень. Из падающих лучей только 10% фактически останавливаются в целях и достигают своей цели, в то время как оставшиеся 90% не используются.
В 2013 году во время длительного останова 1 были 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 одна пристройка к зданию для проекта MEDICIS и несколько других, оборудованных электрическими системами, системами 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. 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. В конце 2017 года на предприятии CERN-MEDICIS были произведены первые радиоизотопы.
Модель объекта ISOLDE (2017) До ISOLDE радиоактивные нуклиды транспортировались с производственной площадки в лаборатория для обследования. 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 на постускоритель для увеличения его энергии.
На установке ISOLDE главный луч для реакций исходит от протонного синхротрона. 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 A, здания для проектов HIE-ISOLDE и MEDICIS, а также здание 508, которое также служит домом для диспетчерских ISOLDE. так же другие операции можно увидеть на скетче. Пучок протонов с энергией 1,4 ГэВ от бустера PS, идущий справа на эскизе, направляется в один 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 общему центральному каналу луча, который используется для подачи луча в различные экспериментальные установки, предназначенные для ядерной спектроскопии и ядерной ориентации, лазерной спектроскопии, высокоточная масс-спектрометрия, твердотельные и поверхностные исследования.
Традиционные блоки источников ионов в ISOLDE основаны на поверхности или методы плазменной ионизации. 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 группировщик под названием ISCOOL. В целом, установка ISOLDE обеспечивает получение 1300 изотопов из 75 элементов периодической таблицы.
Проект CERN-MEDICIS, который является частью установки ISOLDE, работает по поставке радиоактивных изотопов для медицинских приложений. В экспериментах на установке ISOLDE используется около половины протонов в пучках 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 автоматического конвейера для разделения и сбора представляющих интерес изотопов.
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 на целевую установку эксперимента ядерной спектроскопии, который включает детекторы заряженных частиц и детектор гамма-излучения MINIBALL . Первоначально предназначенный для ускорения легких изотопов, проект REX-ISOLDE достиг этой цели и предоставил постускоренные пучки более широкого диапазона масс, а именно от He до Ra. REX-ISOLDE поставила ускоренные пучки из более чем 100 изотопов более 30 элементов с момента ввода в эксплуатацию.
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 осуществляться с наименьшим влиянием на продолжающиеся эксперименты на объекте. Проект включает в себя увеличение энергии для REX-ISOLDE до 10 МэВ, а также модернизацию резонатора и охладителя, улучшение входного луча от PS Booster, улучшения мишеней, источников ионов и масс-сепараторов. По состоянию на 2018 год большинство энергетических обновлений, включая увеличение энергии REX-ISOLDE до 10 МэВ, завершено, и завершена вторая фаза. 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.
Прикрепленная к ISOLDE находится в здании 508. одна из крупнейших лабораторий физики твердого тела для возмущенной угловой корреляции, которая получает 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 изотопов PAC, таких как Cd, Hg, Pb, а также изотопов переходных металлов, важно для исследования материалов. Поскольку у многих изотопов период полураспада находится в диапазоне минут и часов, эксперименты необходимо проводить на месте. Дополнительные методы: диффузия изотопов, онлайн- мессбауэровская спектроскопия (Mn) и фотолюминесценция с радиоактивными ядрами.
Ниже приведен список некоторых физических действий, выполненных на объекте ISOLDE.
