Wissenschaftler und Ingenieure der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) haben einen neuen Meilenstein in der Isotopenforschung erreicht. Sie beschleunigten einen Hochleistungsstrahl aus Uranionen und lieferten eine Rekordleistung von 10,4 Kilowatt kontinuierlicher Strahlleistung an ein Ziel. Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Beschleuniger und Strahlen für die physikalische Überprüfung.
Uran ist das am schwierigsten zu beschleunigende Element. Für die wissenschaftliche Forschung ist es jedoch äußerst wichtig. Von den mehr als 17 wissenschaftlichen Programmen mit der höchsten Priorität mit seltenen Isotopenstrahlen, die von der National Academy of Sciences und dem Nuclear Science Advisory Committee identifiziert wurden, erfordern mehr als die Hälfte einen Uran-Primärstrahl.
Forscher schätzen Uran, weil es nach Fragmentierung oder Spaltung eine große Vielfalt an Isotopen produzieren kann.
Die Beschleunigung eines Uranstrahls mit beispielloser Leistung ist ein entscheidender Meilenstein für FRIB. Die Errungenschaft eröffnet einen neuen Weg der Forschung mit seltenen Isotopen. Innerhalb der ersten acht Betriebsstunden konnten FRIB-Wissenschaftler mit dem Hochleistungs-Uranstrahl drei neue Isotope produzieren und identifizieren: Gallium-88, Arsen-93 und Selen-96.
Der leistungsstarke Uranstrahl erforderte den stabilen Betrieb aller Beschleunigeranlagen bei höchsten Beschleunigungsgradienten. Diese Errungenschaft schafft die Grundlage für die Bereitstellung der schwersten Ionenstrahlen zur Erzeugung seltener Isotope. Es erweitert die wissenschaftliche Reichweite in unerforschte Regionen der Nuklearlandschaft.
Laut der Studie war die Beschleunigeranlage am FRIB in der Lage, den leistungsstärksten beschleunigten Dauerstrich-Uranstrahl zu erzeugen, der jemals gesehen wurde, was zur Trennung und Identifizierung von drei bisher unbekannten Isotopen führte.
Dieser Erfolg war dank des erfolgreichen Betriebs von FRIB möglich, einschließlich eines neuen supraleitenden Linearbeschleunigers, der aus 324 Resonatoren in 46 Kryomodulen besteht, einem neu entwickelten Flüssig-Lithium-Stripper und neuartigen Technologien wie der Uranproduktion im Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ion (ECR). Quelle, der einzigartige Schwerionen-Hochfrequenz-Quadrupol (RFQ), das Hochleistungsziel und der Strahlabwurf.
Forscher entwickelten neue Techniken, um die gleichzeitige Beschleunigung von drei Ladungszuständen von Uran nach dem Ablösen mit einem Flüssig-Lithium-Film zu ermöglichen.
Dieser Ansatz erreichte eine Rekordleistung für Uran. Die drei bisher unbeobachteten Isotope – Gallium-88, Arsen-83 und Selen-96 – wurden in einem 1,2-mm-Graphittarget erzeugt, getrennt und erstmals im Advanced Rare Isotope Separator am FRIB identifiziert. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus den Vereinigten Staaten, Japan und Südkorea durchgeführt.
Weitere Informationen:
PN Ostroumov et al., Beschleunigung des Uranstrahls auf Rekordleistung von 10,4 kW und Beobachtung neuer Isotope in der Einrichtung für seltene Isotopenstrahlen, Beschleuniger und Strahlen für die physikalische Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.27.060101