Moderne Experimente der Kernphysik · Moderne Experimente der Kernphysik | Vorlesung 2 | Prof....

24.10.2011Moderne Experimente der Kernphysik | Vorlesung 2 | Prof. Thorsten Kröll 1

Moderne Experimenteder Kernphysik

Wintersemester 2011/12

Vorlesung 02 – 24.10.2011


Produktion radioaktiver StrahlenMethoden:• „fragmentation in-flight“• ISOL (isotope separation on line)

Programm:• Produktion radioaktiver Kerne als Strahlen• Selektion oder Identifikation des gewünschten Isotops

Literatur (Euroschool Lectures on Physics with Exotic Beams):D.J. Morrissey, B.M. Sherrill, In-Flight Separation of Projectile Fragments, Lect. Notes Phys. 651, 113–135 (2004)P. Van Duppen: Isotope Separation On Line and Post Acceleration, Lect. Notes Phys. 700, 37–77 (2006)

http://www.gsi.dehttp://www.nscl.msu.eduhttp://www.rarf.riken.go.jphttp://isolde.cern.ch


Nur Auswahl!!!!

Derzeit:ISOLDE (CERN) RIBF… seit 2007 (RIKEN, Japan)GSI (Deutschland) NSCL/MSU (USA) ISAC (TRIUMF, Kanada) GANIL (Frankreich) ILL (Grenoble, Frankreich)Louvain-la-Neuve (Belgien) HRIBF (Oak Ridge, USA) …

Zukunft:FAIR (Deutschland/Europa+…) FRIB (USA)SPIRAL2 (Frankreich/Europa) EURISOL (??? Europa)

Anlagen zur Erzeugung radioaktiver Strahlen

AG Kröll beteiligt am Aufbau oder mit Experimenten


Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)

UNILAC

SIS

FRS

ESR

100 m

in Darmstadt

heute

SIS 100/200

HESR

SuperFRS

NESR

CR

… 2018


FAIR in Darmstadt


Produktion von radioaktiven Strahlen 1 –Fragmentation

Projektilfragmentation bei relativistischen Energien

Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen

Neutronen abAbb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)


Fragmentation - Teilchenidenfikation

78Kr (Z=36) auf 9Be bei 70 MeV/u

Ker

nlad

ung

Z

Masse A


238U

208Pb

A ≈ 130

A ≈ 100

Spaltung („Photospaltung“)

Projektil

Target

Aufbruch im Coulombfeld des Targetkerns: Kurze Vorbeiflugzeit – kurzer em. Puls – hohe Frequenzen (Fourier)Austausch hochenergetischer virtueller Photonen

γγ

γγγγ


Spaltung von Uran

238U spaltet in zweiFragmente mitA ≈ 130 und A ≈ 100

Produktion vonneutronenreichen Kernen238U: A/Z = 238/92 = 2.59

Beispiel:

Stabiles 119Sn:A/Z = 119/50 = 2.38

Sn mit A/Z = 2.59:A = 2.59*50 ≈ 130

Masse A

Ker

nlad

ung

Z


Fragmentseparator FRS (GSI)

Teilchenidentifizierung

Primärstrahl

Bestimmung von• Masse A• Kernladung Z• atomarer Ladung q• Energie E / Impuls p

Observablen• Energieverlust dE• Flugzeit t (TOF)• Steifigkeit Bρ• Position x und y

(Flugstrecke)

73 m


Bestimmung der Kernladung Z

( )...1dd 2

+∝E

mZxE Energieverlust von geladenen Teilchen

in Materie: Bethe-Bloch-Formel

E E - dE

• Ionisationskammer• Dünner Plastik- oder

Halbleiterdetektor

dE - Signal

Atomare Ladung q: bei sehr hohen Energien ist häufig q = Z, die Elektronen werden also vollständig im Produktionstarget abgestreift

dx


p, d

Produktions-target

Ionen-quelle

MassenSeparator

Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)

Produktions-target

Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)

Driver Beschleuniger

n

Experiment

Experiment

Ionen-quelle

MassenSeparator

Reaktor

ISOL Methode


ISOLDE@CERN


Produktionsmechanismen

Einzelne Nukleonen werden herausgeschlagen

Protonen auf Konvertertarget: Neutronen werden produziertNeutroneninduzierte Spaltung


Produktionsraten

ISOLDE

Rate pro s und μC p-Strahl


ISOL-Methode (Prinzip)

p,d,n,γ

Produktion Diffusion

Ionisation

+

Separation A/q (q=1e oder 2e)

Ionisation (chemische Selektivität … Z: chemisches Element / Isotope)TemperaturLaser

Separation (Massenselektivität … A: atomare Masse / Isobare)

… → AZ (im Idealfall)

+


1.4 GeV p

1.4 GeV p

ISOLDE Targets

Produktion vonNeutronen, die dannSpaltung verursachen

Uran-Target


Diffusion und „Release curve“

„Release curve“ stark elementabhängig… einige Elemente diffundieren praktischgar nicht aus dem Produktionstarget, z.B. Fe

UnterschiedlicheZeitskalen


Produktionsraten (Beispiel Cd)

Targetmaterial

SC: 600 MeV pPSB: 1.4 GeV p

Y = Rate/s/μC


Ionisationspotenzial

Gewünschtes Element hat• Niedrige Ionisierungsenergie: Selektion durch Temperatur• Hohe Ionisierungsenergie

- selektive Laserionisation- gekühlte Transferline (z.B. Edelgase

haben hohe Volatilität, Isobare „kleben“ fest)


Laserionisation (Beispiel Cd)(Ionisationsenergie(Cd) > Ionisationsenergie(In))


ISOLDE TargetResonant Laser Ionisation Ion Source


Separation in Magnetfeld


Nachbeschleunigung (REX-ISOLDE)

Für Reaktionen mit radioaktiven Strahlen werden höhere Energienbenötigt … Nachbeschleunigung

• Kühlen und Bunchen …. Pakete von einfach geladenen Ionen

• Ladungsbrüten … Erhöhung des Ladungszustands

• Beschleunigung

• Transport zum Experiment


REX-ISOLDE @ CERN

1.4 GeVprotons

from PS-Booster

ISOLDE target (UCx)

+ ion sources

30 - 60 keV X1+

„charge breeding“to A/q ~ 4 ~ 2.85 MeV/u

9-gap

• ISOLDE operational since 1967 (1992 at PSB)• >850 exotic isotopes have been produced• start of the REX project in 1995• first beam on target in 2001 (... 72* RIBs so far)

cooling and „bunching“

Extensionhall

*D. Voulot, ISOLDE Workshop 2009


Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/

“Ladungsbrüten” A/q ~ 4

REX-ISOLDE


Ladungsbrüten

Methode: Kollision mit Elektronenstrahl

Ar1+ → Ar8+

Abgelesen aus Plot:2 As/cm2

Elektronenstrahl:nev = 120 A/cm2

t = 17 ms

Ladungsbrüten limitiertalso die kurzlebigstenKerne, die so als StrahlProduziert werden können!!!

Ar8+:Edelgaskonfiguration


REX-ISOLDE


Vergleich und Zusammenfassung„Fragmention in-flight“

• Hochenerget. Schwerionenstrahl

• Dünnes Target• „Cocktail“-Strahl• Event-by-event Identifikation• Chemisch unselektiv• Lebensdauern > einige 100 ns• Strahlenergien einige 10 MeV/u bis

zu GeV/u

ISOL

• Hochenerget. p oder d-StrahlReaktor-Neutronen, γ-Strahl

• Dickes Target• Mischung aus Isobaren

• Chemisch selektiv• Lebensdauern > einige ms• Strahlenergien einige 10 keV

bis zu 10 MeV/u

• Im Detail sind Intensitäten stark vom gewünschten Isotop abhängig• Welche Methode geeigneter ist, hängt natürlich auch von der Art des

Experiments ab, das mit dem Strahl gemacht werden soll!

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