Die Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) beschleunigt Schwerionenstrahlen mit einer Strahlleistung von bis zu 400 Kilowatt in ein Ziel, um seltene Isotope für die wissenschaftliche Forschung zu erzeugen. Dabei spielt ein Charge Stripper eine wesentliche Rolle. Es entzieht dem geladenen Teilchenstrahl zusätzliche Elektronen, um ihn effizienter zu beschleunigen.
Der Strahl von FRIB ist zu stark für einen herkömmlichen Charge Stripper aus Kohlefolie. Diese Art von Ladungsabstreifern würde schwere Wärme- und Strahlungsschäden erleiden, was ihre Lebensdauer und Strahlleistung einschränkt. Um dies zu überwinden, hat FRIB einen hochmodernen Flüssiglithium-Ladungsabscheider entwickelt und demonstriert. Da dieser neue Charge Stripper selbstauffüllend ist, ist er ein überlegener Wärmeentferner und kann nicht durch Strahlung beschädigt werden.
Wissenschaftler haben bei der Entwicklung des Charge Strippers von FRIB zwei alternative Konstruktionen in Betracht gezogen. Selbst der leistungsstärkste Kohlefolien-Entladungs-Stripper würde bei FRIB nur sechs Stunden halten. Eine andere Art von sich selbst ergänzendem Ladungsstripper ist ein Gasstripper.
Dies kann zwar unendlich lange dauern, jedoch ist der Ladungszustand des Balkens nach dem Gasentladungsabscheider deutlich niedriger als nach einem Feststoff- oder Flüssigkeitsentladungsabscheider. Der Ladungszustand des Ions entspricht der Anzahl der Elektronen, die von einem neutralen Atom entfernt werden. Je höher der Ladezustand, desto mehr Beschleunigung kann der Beschleuniger dem Ion verleihen.
Ein Flüssig-Lithium-Entladungs-Stripper hat einen doppelten Vorteil: Er kann einen ebenso hohen Ladungszustand wie ein Feststoff-Entladungs-Stripper erzeugen und unbegrenzt halten. Diese neue Technologie wird FRIB helfen, Schwerionenstrahlen auf bis zu 400 Kilowatt zu beschleunigen, und neue Möglichkeiten in verschiedenen anderen Entwicklungen von Hochleistungsbeschleunigern eröffnen.
Leistungsstarke Schwerionenstrahlanlagen wie FRIB werden benötigt, um grundlegende nuklearwissenschaftliche Entdeckungen zu ermöglichen. FRIB ermöglicht es Wissenschaftlern, die Eigenschaften seltener Isotope, nukleare Astrophysik, grundlegende Wechselwirkungen und Anwendungen für die Gesellschaft zu untersuchen, darunter in der Medizin, dem Heimatschutz und der Industrie. In solchen Beschleunigern spielen Ladungsabstreifer eine wesentliche Rolle bei der effektiven Beschleunigung der Strahlen.
Der herkömmliche Kohlenstoffabstreifer ist jedoch der Flaschenhals, der die Strahlleistung begrenzt. In dieser Forschung war ein flüssiger Lithiumfilm mit einer Dicke von 10–20 Mikrometern (etwa ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares), der mit mehr als 50 Metern pro Sekunde (180 Kilometer pro Stunde oder 112 Meilen pro Stunde) floss, stabil gebildet in der Beschleuniger-Beamline am FRIB, einer Benutzereinrichtung des Department of Energy (DOE) Office of Science an der Michigan State University.
Der Film wurde mit Xenon-, Argon- und Uranstrahlen bestrahlt, und seine Stabilität und Abziehfähigkeit wurden gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Lithiumfilm sogar mit dem Uranstrahl ein effektiver Schwerionen-Stripper war. Zusammen mit dem Erfolg eines früheren Hochleistungs-Demonstrationsexperiments am Argonne National Laboratory des DOE zeigte die Forschung zum ersten Mal, dass der Flüssig-Lithium-Ladungsabstreifer die Beschleunigerleistung deutlich über die gegenwärtige Grenze hinaus steigern kann.
Die Forschung ist veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.
T. Kanemura et al, Experimental Demonstration of the Thin-Film Liquid-Metal Jet as a Charge Stripper, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.212301