Moderne Experimente der Kernphysik

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1 Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12 Vorlesung Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

2 Produktion radioaktiver Strahlen Methoden: 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, (2004) P. Van Duppen: Isotope Separation On Line and Post Acceleration, Lect. Notes Phys. 700, (2006) Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

3 Anlagen zur Erzeugung radioaktiver Strahlen 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) AG Kröll beteiligt am Aufbau oder mit Experimenten Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

4 Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) SIS 100/200 heute 2018 UNILAC SIS FRS ESR HESR in Darmstadt CR Super FRS 100 m NESR Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

5 FAIR in Darmstadt Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

6 Produktion von radioaktiven Strahlen 1 Fragmentation Projektilfragmentation bei relativistischen Energien Abb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU) Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen Neutronen ab Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

7 Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

8 Fragmentation - Teilchenidenfikation Kernladung Z 78 Kr (Z=36) auf 9 Be bei 70 MeV/u Masse A Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

9 Spaltung ( Photospaltung ) A 100 Projektil 238 U γ γ γ γ γ γ A 130 Target 208 Pb Aufbruch im Coulombfeld des Targetkerns: Kurze Vorbeiflugzeit kurzer em. Puls hohe Frequenzen (Fourier) Austausch hochenergetischer virtueller Photonen Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

10 Spaltung von Uran 238 U spaltet in zwei Fragmente mit A 130 und A 100 Produktion von neutronenreichen Kernen 238 U: A/Z = 238/92 = 2.59 Beispiel: Kernladung Z Stabiles 119 Sn: A/Z = 119/50 = 2.38 Sn mit A/Z = 2.59: A = 2.59* Masse A Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

11 Fragmentseparator FRS (GSI) Primärstrahl 73 m Teilchenidentifizierung 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) Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

12 Bestimmung der Kernladung Z de dx mz E 2 ( 1+...) Energieverlust von geladenen Teilchen in Materie: Bethe-Bloch-Formel E dx 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 Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

13 ISOL Methode Driver Beschleuniger p, d Produktionstarget Ionenquelle Experiment Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) Massen Separator Reaktor n Produktionstarget Ionenquelle Experiment Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) Massen Separator Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

14 Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

15 Produktionsmechanismen Einzelne Nukleonen werden herausgeschlagen Protonen auf Konvertertarget: Neutronen werden produziert Neutroneninduzierte Spaltung Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

16 Produktionsraten ISOLDE Rate pro s und μc p-strahl Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

17 ISOL-Methode (Prinzip) Ionisation p,d,n,γ + Separation A/q (q=1e oder 2e) Produktion Diffusion Ionisation (chemische Selektivität Z: chemisches Element / Isotope) Temperatur Laser Separation (Massenselektivität A: atomare Masse / Isobare) A Z (im Idealfall) + Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

18 ISOLDE Targets 1.4 GeV p Uran-Target Produktion von Neutronen, die dann Spaltung verursachen 1.4 GeV p Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

19 Diffusion und Release curve Release curve stark elementabhängig einige Elemente diffundieren praktisch gar nicht aus dem Produktionstarget, z.b. Fe Unterschiedliche Zeitskalen Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

20 Produktionsraten (Beispiel Cd) Targetmaterial Y = Rate/s/μC SC: 600 MeV p PSB: 1.4 GeV p Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

21 Ionisationspotenzial Gewünschtes Element hat Niedrige Ionisierungsenergie: Selektion durch Temperatur Hohe Ionisierungsenergie - selektive Laserionisation - gekühlte Transferline (z.b. Edelgase haben hohe Volatilität, Isobare kleben fest) Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

22 Laserionisation (Beispiel Cd) (Ionisationsenergie(Cd) > Ionisationsenergie(In)) Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

23 ISOLDE Target Resonant Laser Ionisation Ion Source Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

24 Separation in Magnetfeld Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

25 Nachbeschleunigung (REX-ISOLDE) Für Reaktionen mit radioaktiven Strahlen werden höhere Energien benötigt Nachbeschleunigung Kühlen und Bunchen. Pakete von einfach geladenen Ionen Ladungsbrüten Erhöhung des Ladungszustands Beschleunigung Transport zum Experiment Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

26 CERN 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) Extension hall kev X 1+ cooling and bunching 9-gap 1.4 GeV protons from PS-Booster charge breeding to A/q ~ 4 ISOLDE target (UC x ) + ion sources ~ 2.85 MeV/u *D. Voulot, ISOLDE Workshop 2009 Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

27 REX-ISOLDE Ladungsbrüten A/q ~ 4 Courtesy: Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

28 Ladungsbrüten Methode: Kollision mit Elektronenstrahl Ar 8+ : Edelgaskonfiguration Ar 1+ Ar 8+ Abgelesen aus Plot: 2 As/cm 2 Elektronenstrahl: n e v = 120 A/cm 2 t = 17 ms Ladungsbrüten limitiert also die kurzlebigsten Kerne, die so als Strahl Produziert werden können!!! Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

29 REX-ISOLDE Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

30 Vergleich und Zusammenfassung Fragmention in-flight ISOL 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 Hochenerget. p oder d-strahl Reaktor-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! Moderne Experimente der Kernphysik Vorlesung 2 Prof. Thorsten Kröll

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