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24.10.2011Moderne Experimente der Kernphysik | Vorlesung 2 | Prof. Thorsten Kröll 1
Moderne Experimenteder Kernphysik
Wintersemester 2011/12
Vorlesung 02 – 24.10.2011
24.10.2011Moderne Experimente der Kernphysik | Vorlesung 2 | Prof. Thorsten Kröll 2
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
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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
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Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
UNILAC
SIS
FRS
ESR
100 m
in Darmstadt
heute
SIS 100/200
HESR
SuperFRS
NESR
CR
… 2018
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FAIR in Darmstadt
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Produktion von radioaktiven Strahlen 1 –Fragmentation
Projektilfragmentation bei relativistischen Energien
Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen
Neutronen abAbb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)
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Fragmentation - Teilchenidenfikation
78Kr (Z=36) auf 9Be bei 70 MeV/u
Ker
nlad
ung
Z
Masse A
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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
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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
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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
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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
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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
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ISOLDE@CERN
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Produktionsmechanismen
Einzelne Nukleonen werden herausgeschlagen
Protonen auf Konvertertarget: Neutronen werden produziertNeutroneninduzierte Spaltung
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Produktionsraten
ISOLDE
Rate pro s und μC p-Strahl
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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)
+
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1.4 GeV p
1.4 GeV p
ISOLDE Targets
Produktion vonNeutronen, die dannSpaltung verursachen
Uran-Target
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Diffusion und „Release curve“
„Release curve“ stark elementabhängig… einige Elemente diffundieren praktischgar nicht aus dem Produktionstarget, z.B. Fe
UnterschiedlicheZeitskalen
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Produktionsraten (Beispiel Cd)
Targetmaterial
SC: 600 MeV pPSB: 1.4 GeV p
Y = Rate/s/μC
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Ionisationspotenzial
Gewünschtes Element hat• Niedrige Ionisierungsenergie: Selektion durch Temperatur• Hohe Ionisierungsenergie
- selektive Laserionisation- gekühlte Transferline (z.B. Edelgase
haben hohe Volatilität, Isobare „kleben“ fest)
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Laserionisation (Beispiel Cd)(Ionisationsenergie(Cd) > Ionisationsenergie(In))
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ISOLDE TargetResonant Laser Ionisation Ion Source
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Separation in Magnetfeld
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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
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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
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Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/
“Ladungsbrüten” A/q ~ 4
REX-ISOLDE
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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
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REX-ISOLDE
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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!