Laboratorium ISOLDE

Laboratorium ISOLDE
Magdalena Kowalska
CERN
Coordynator Fizyki ISOLDE
Menu
•
•
•
•
Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej
Fizyka jadrowa w CERNie
Fabryka izotopow ISOLDE
Od wlasnosci jadra do zastosowan
Tabela nuklidow, czyli jader atomowych
Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej
Jak wytlumaczyc tak roznorodne wlasnosci jader za pomoca jednego
fundamentalnego oddzialywania protonu z neutronem
2 rodzaje czastek: ogromna
liczba kombinacji i wlasnosci
Jak przewidziec wlasnosci nieznanych jader
Jak latwe i regularne wzory wylaniaja sie ze
struktury skomplikowanych jader?
Laboratorium ISOLDE
“fabryka” radioizotopow: metoda ISOL
LHC: fizyka cząstek
elementarnych i
struktura nukleonów
450GeV
ALICE:
Fizyka jadrowa
(wysokich energii)
7 TeV
Fizyka jądrowa,
Astrofizyka
Antymateria
1GeV
50 MeV
protony
Jądra ciężkie
4MeV/u
Neutrina
28GeV
Fizyka jądrowa
(i ciała stałego)
Nuklidy nietrwale jako laboratorium
Produkcja pierwiastkow chemicznych
Ewolucja gwiazd
Częstość występowania pierwiastków
we Wszechświecie
28
20
8
2
relative abundance
Fizyka jadrowa
wlasnosci oddzialywania; granice istnienia nuklidow
?
34Ne:
=
10 protonow + 24 neutronow
-> czy istnieje?
Astrofizyka
mass
Zastosowania, np.
fizyka ciala stalego, biologia i medycyna
Historia
1sza wiazka 1967
Upgrades 1974 i 1988
Nowe laboratorium 1992
2010: poczatek projektu HIE-ISOLDE
7
Elementy ISOLDE
Produkcja izotopow metoda ISOL: lekka wiazka (protony) uderza w ciezka tarcze
Separator
Target
Produkcja-jonizacja-separacja
8
Produkcja izotopow
Kruszenie
spallation
(spallation)
+
201
1 GeV p
Fr
Fragmentacja
fragmentation
+
238
n
p
11
U
Li
+
X
fission
Rozczepienie
+
143
Cs
9
+
Y
Tarcze produkcyjne
Ponad 20 materialow I jonizerow, w
zaleznosci od interesujacej nas wiazki
U, Ta, Zr, Y, Ti, Si, …
Material tarczy i jonizera ogrzane do 1500 –
2000 stopni
Obslugiwane przez roboty z powodu
promieniowania
tarcza
tarcza
p+
p+
p+
p+
p+
p+
konwerter
Tarcza z konwerterem
10
Tarcza standardowa
W srodku tarczy
11
Jonizacja
Powierzchnia
Plazma
Lasery
U. Koester
12
RILIS
Resonant Ionization Laser Ion Source
Dye lasers with 2nd
harmonic generation
and UV pumping option
Dye laser 3rd
harmonic generator
Narrow band dye laser
for high resolution
spectroscopy or isomer
selectivity
13
Nd:YAG laser for dye
pumping or non
resonant ionization
Nd:YAG pump laser
for the Ti:Sa lasers
3 Ti:Sa lasers
Harmonic
generation unit
for Ti:Sa system
Ekstrakcja wiazki i separacja
Wszystkie jony sa ekstrahowane przez pole elektrostatyczne (30-60kV)
Interesujace nas nuklidy sa wybierane przez pole magnetyczne
 Sila Lorentza: zalezy do predkosci i masy
 m/dm <5000, wiec wiele niechcianych izobarow dostaje sie rowniez do eksperymentow
ionizacja Potencjal
przyspieszajacy
U
Pole
Magnetyczne
Do eksperymentow
= 2𝑚𝑈/(𝑞𝐵)
=
14
Produkcja, ionizacja, ekstrakcja
Tarcza
Roboty
15
Tarcza+proznia+ekstrakcja
Energia jonow: 30-60keV
Separacja
GPS
HRS
Separatory magnetyczne (General Purpose i High Resolution)
16
Przyspieszanie wiazek
Przyspieszacz REX
Przyspieszanie
za pomoca RF
3MeV*A – wiazka do eksperymentu
Selekcja
A/q
17
Zwiekszenie
ladunku
Pulapkowanie i
chlodzenie
Produkcja i selekcja - przyklad
18
Przyklad – isotopy astatu
Jak wyprodukowac “czyste” isotopy astatu (wszystkie sa radioaktywne)?
 Uzyc lasery do jonizacji
 I zmierzyc po raz
pierwszy potencjal
jonizacyjny At
S. Rothe et al,
Nature Communications 4 (2013), 1835
19
Produkowane izotopy
Problem z ekstrakcja
(wlasnosci chemiczne)
• Produced nuclides
Eksperymenty ISOLDE
Badania na “wolnych” wiązkach radioaktywnych
Fizyka stosowana
Fizyka jądrowa
Spektroskopia rozpadu
jądrowego i reakcje
Struktura jader
Rozpady egzotyczne
Fizyka atomowa
Spektroskopia laserowa i
pomiary mass
Promienie i momenty jader,
jądrowe energie wiązania
Implantowane próbki
radioaktywne, izotopy do
diagnozy i terapii
Fizyka fazy skondensowanej
i biofizyka
Fizyka
“fundamentalna”
Astrofizyka
jądrowa
f(N,Z)
Dedykowane pomiary mas i
badania rozpadów
Testy unitarności macierzy
CKM, korelacje kierunku
beta-jadro
Dedykowane badania
rozpadów jądrowych i reakcji
Nukleosynteza jądrowa
Procesy słoneczne
Eksperymenty ISOLDE
• Experimental setups
tarcze
HRS & GPS
separator
HRS
3×1013 ppp
WITCH
Eksperymenty
“podrozujace”
REX-ISOLDE
PS-Booster
Protony:
1.4 GeV
ISCOOL
RILIS
NICOLE
Jony “przyspieszone”
MINIBALL and T-REX
Eksperymenty
“podrozujace”
COLLAPS
CRIS
ISOLTRAP
Troche zdjec
Troche zdjec
24
Przyklady badanych jader
Halo: jadro, w ktorym ostatnie protony/neutrony kraza bardzo daleko od centrum/kernelu
discussed
• 1985: pierwsze halo odkryte: 11Li
• 2012: znamy ok. 6 jader halo
• wazne dla zrozumienia szczegolow
oddzialywania jadrowego
11
8
11
8
=> Wazne informacje:
Masa
Spin/parzystosc
Moment magnetyczny
Promien masy I ladunku
Moment kwadrupolowy
Poziomy energetyczne
11Li:3p,8n
208Pb:82p,126n
8
Spektroskopia laserowa
laser
Wiazka jonow
Zmiana predkosci wiazki
deflektor
Wzbudzenieobserwacja
Pomiary mass jader
Pomiary mass jader
2m
Wyznaczenie masy
(R = 107)
B = 5.9 T
c 
1 q
B
2 m
Odrzucenie izobarow
(R = 105)
B = 4.7 T
Stworzenie “paczki”
ISOLTRAP
Masa cynku-82
Po kilku probach na ISOLDE I w
innych laboratoriach
Kompozycja gwiazdy neutronowej:
Polaczone know-how ISOLDE i ISOLTRAPu
R.N. Wolf et al, Phys. Rev. Lett. 110, 041101 (2013)
29
Wzbudzenia i rozpady
MINIBALL
Ksztalt gruszki z radzie-224
Gamma rays following
Coulomb excitation of 224Ra
31
L.P. Gaffney et al, Nature 497 (2013) 199
Przyszlosc - HIE-ISOLDE
High Intensity and
Energy ISOLDE
Pierwsze przyspieszone
wiazki: 2015/2016
32
Podsumowanie
• ISOLDE – fabryka jonow radioaktywnych w CERNie
• Metoda ISOL z wieloma wiazkami
• Elementy: produkcja – jonizacja – selekcja
• Experimenty: fizyka jadrowa, astrofizyka, badania
podstawowe, zastosowania
• Techniki: spektroskopia laserowa, pulapki jonowe, rozpady i
wzbudzenia
• Przyszlosc: HIE-ISOLDE
Skanery PET
PET: pozytronowa tomografia emisyjna
Metoda diagnozowania w medycynie oparta o emisję anty-elektronu
Metoda rozwinieta przez lekarzy ze
szpitala genewskiego i fizykow z
ISOLDE
Wiazanie metali z bialkami
Badanie polprzewodnikow
simulation SGa sites
experiment
-2
-1
0
1
2
-2
-1
0
1
2
[0001]
(01
10
2
1.46 - 1.54
1.38 - 1.46
1.30 - 1.38
1.23 - 1.30
1.15 - 1.23
1.07 - 1.15
0.99 - 1.07
0.92 - 0.99
)
1
(1120) 0
-1
(2
02
1)
-2
3
[1102]
2
1.43 - 1.50
1.36 - 1.43
1.29 - 1.36
1.22 - 1.29
1.15 - 1.22
1.08 - 1.15
1.01 - 1.08
0.94 - 1.01
1
(1120) 0
-1
(10
11
)
3
[1101]
1.45 - 1.52
1.38 - 1.45
1.30 - 1.38
1.23 - 1.30
1.16 - 1.23
1.08 - 1.16
1.01 - 1.08
0.94 - 1.01
2
1
(1120) 0
-1
3
[2113]
1.40 - 1.47
1.34 - 1.40
1.27 - 1.34
1.20 - 1.27
1.14 - 1.20
1.07 - 1.14
1.00 - 1.07
0.94 - 1.00
2
1
(0110) 0
-1
-2
-1
0
1
2
-2
-1
0
1
2 [deg]
Nowe izotopy do terapii
iv. Injection into mouse
i. Collection at ISOLDE
v. PET/SPECT imaging and
tumor treatment
1.4 GeV
Thank you
ii. Shipping to PSI
PSI
iii. Radiochemical purification and labeling
HIE-ISOLDE
Quarter-wave resonators
(Nb sputtered)
• SC-linac between 1.2 and 10 MeV/u
• 32 SC QWR (20 @ b0=10.3% and 12@ b0=6.3%)
• Energy fully variable; energy spread and bunch
length are tunable. Average synchronous phase
fs= -20 deg
• 2.5<A/q<4.5 limited by the room temperature
cavity
• 16.02 m length (without matching section)
• No ad-hoc longitudinal matching section
(incorporated in the lattice)
• New beam transfer line to the experimental
stations
38
Reaction probability
39
Reaction probability
Primary beam type and energy are important
40
Properties of radio-nuclides
Different neutron-to-proton ratio than stable nuclei leads to:
 New structure properties
 New decay modes
=> Nuclear models have problems predicting and even explaining the observations
Example - halo nucleus 11Li:
 Extended neutron wave functions make 11Li the size of 208Pb
 When taking away 1 neutron, the other is not bound any more (10Li is not bound)
41
Astrofizyka
EURISOL
Future European RIB facility
43
REX post-accelerator
EBIS
• Super conducting solenoid, 2 T
Nier-spectrometer
• Electron beam < 0.4A 3-6 keV
• Select the correct A/q and separate
the radioactive ions from the residual
gases.
• A/q resolution ~150
• Breeding time 3 to >200 ms
• Total capacity 6·1010 charges
• A/q < 4.5
REXEBIS
MASS
SEPARATOR
Optional
stripper
9-GAP
RESONATOR
Experiments
Linac
Length
Freq.
Duty cycle
Energy
A/q max.
18 May 2009
3.0
MeV/u
7-GAP
RESONATORS
2.2
MeV/u
IH
Rebuncher
1.2
MeV/u
ISOLDE
ISOLDE
beam
RFQ
0.3
MeV/u
REXTRAP
11 m
101MHz (202MHz for the 9GP)
1ms 100Hz (10%)
300keV/u, 1.2-3MeV/u
4.5 (2.2MeV/u), 3.5 (3MeV/u)
efficiency
1 -10 at%
NewTotal
opportunities
in the physics :landscape
44
CERN
Primary
target
60
keV
REX-trap
• Cooling (10-20 ms)
Buffer gas + RF
• (He), Li,...,U
• 108 ions/pulse
(Space charge effects >105)
wapn 54 i oddzialywanie jadrowe
F. Wienholtz et al, Nature 498 (2013), 346
Liczba jonow za pulapka
Oczyszczenie wiazki przez
rozny czas przelotu
p1/2
f5/2
p3/2
f7/2
d3/2
separacja 2-neutronowa (MeV):
Nagly spadek pokazuje zamknieta powloke
38
32
28
20
N
Mass
models
45
Produkcja izotopow na ISOLDE
• ISOTOPE production
spallation
+
201
1 GeV p
Fr
fragmentation
+
238
11
U
Li
+
X
fission
n
p
+
143
Cs
+
Y
Beam post-acceleration
35
Ne
30
Ne
Ne
20
C
7+
C
8+
REX-Isolde
4+
15
4+
K9+
Ne5+
Ar 9+
K10+
Ne
N3+
22
N4+
K11+
Ar11+
O5+
K12+
N6+
A/q=2
O7+
O
Ne9+
5
N5+
6+
10
0
14
Optional
stripper
16
18
20
MASS
SEPARATOR
22
Magnet current A
7-GAP
9-GAP
RESONATOR RESONATORS
@ 202.56 MHz @ 101.28 MHz
Experiments
* charge breeding
* 1+ ions to n+
5+
K8+
25
Ion current pA
Potassium
tinject130us
3+
C
4+
O
5+
Ne
6+
3.0
MeV/u
2.2
MeV/u
IH
Rebuncher
1.2
MeV/u
RF
Q
0.3
MeV/u
47
REXEBI
S
ISOLDE
beam
REXTRAP
60
keV
ISOLDE
Primary
High energy
target
driver beam
protons
Intensywnosc wiazki
Liczba jonow dostarczonych do eksperymentu:
Intensywnosc wiazki x przekroj czynny reakcji x liczba czastek tarczy x wydajnosci
Wg Bawarczyka (Ulli Koester):
48
Laboratorium ISOLDE
CERN ISOL facility
ISOLDE
PSB
PS
LINAC2
49
Astrofizyka
COLLAPS – laser spectroscopy
51
COLLAPS – laser spectroscopy
ion beam
E ~60 keV
+
kin
laser beam
fixed frequency
electrostatic
deflection
charge exchange cell (Na)
excitation &
observation region
electrostatic
lenses for
retardation
+
+
o
Photo multiplier
52
COLLAPS – beta-NMR
Beta particles (e-,e+) can be used as a detection tool, instead of rf absorption
(beams down to 1000 ions/s can be studied)
Measured asymmetry:
crystals
A
N (0)  N (180)
N (0)  N (180)
Results:
Magnetic and electric moments of nuclei
(position of last nucleons, shapes)
plastic
scintilators
Beam from ISOLDE
RF-coil
magnet
poles
53
ISOLTRAP - masses
54
MINIBALL – Coulomb excitation
Miniball setup: highly
efficient gamma
detectors and particle
detector
REXISOLDE
E <3 MeV/u
Ge g detectors
DE-E detector
CD – detector
Double sided Si strip
detector
PPAC
target
Beam
Excitation of a projectile nucleus (radioactive) by the
electromagnetic field of the target (made of stable nuclei)
Observables: Transition energies and intensities
Information: reduced transition matrix elements
=> Study collectivity and
deformations
55
Beam dump
detector
Beam
impurities
MINIBALL
56
MINIBALL – nucleon transfer
T-REX detector
p
d
g-decay
CD
Transfer of 1-2 neutrons between beam
and target nuclei
barrel
study of proton and neutron orbits
= > Similar configurations =
Large probability of transfer reaction
57