Eerste massa-gescheiden ionenbundel bij SCK CEN
Onderzoekers van SCK CEN hebben onlangs een nieuwe mijlpaal bereikt in de ontwikkeling van ISOL@MYRRHA: de productie en massascheiding van een eerste ionenbundel. Het team slaagde erin de isotopen van rubidium te scheiden op basis van hun atoommassa in het nieuw ontwikkelde ISOL-systeem.
Offline ISOL-systeem
Recent werd er een offline ISOL-systeem gebouwd in een nieuw uitgerust laboratorium van SCK CEN. Dit systeem is gelijkaardig aan het uiteindelijke ISOL-systeem dat aan de MYRRHA-versneller gekoppeld zal worden. Echter, in deze configuratie worden de isotopen niet ‘on-line’ geproduceerd door bestraling met een protonenbundel. In plaats daarvan wordt een offline-ionenbron gebruikt om de ionenbundel te produceren, die vervolgens met een dipoolmagneet wordt gescheiden op basis van massa.
Scheiding van rubidiumisotopen
Tijdens de inbedrijfstelling van het systeem werd er gebruik gemaakt van een ionenbundel van rubidium. De bundel werd geproduceerd door verdamping van rubidium, gevolgd door ionisatie en acceleratie over een potentiaalverschil van 30 kV tussen de ionenbron en een geaarde extractie-elektrode. De ionenbundel werd vervolgens, met behulp van elektrostatische quadrupolen, getransporteerd naar de ingang van een dipoolmagneet voor scheiding op basis van atoommassa.
Om een indicatie te krijgen van de te verwachte prestaties van de massa-scheiding werd er een eerste test uitgevoerd met de beschikbare bundel van rubidium atomen, waarin van nature 85Rb (72%) en 87Rb (28%) voorkomen. Aangezien een vast magnetisch veld alleen ionen met een specifieke massa afbuigt naar de controlepositie in het focuspunt van de magneet, kan de variatie van de sterkte van het magnetische veld worden aangewend om de samenstelling van de bundel te analyseren (massa-analyse). Op deze manier werden de natuurlijk voorkomende rubidiumisotopen 85Rb (72%) en 87Rb (28%) succesvol gescheiden. Er werden ook sporen van andere alkalimetalen, zoals kalium en cesium, geïdentificeerd als verontreinigingen in de gebruikte rubidium ionenbron.
De test: stap voor stap uitgelegd
-
Om de rubidiumisotopen te scheiden, werd een staal van natuurlijk rubidium (natRb) verhit, waardoor de atomen verdampen. Tijdens dit proces verliest elk atoom tevens een elektron, waardoor positief geladen ionen gevormd worden.
-
De vrijgekomen ionen werden versneld door ze bloot te stellen aan een sterk elektrisch veld van 30 kV. Vervolgens leidde een systeem van ion-optische elementen, die werken met elektrostatische quadrupoolvelden, de ionen naar de elektromagnetische scheider voor verdere analyse. Zo’n quadrupoolveld zorgt ervoor dat de ionen gecontroleerd en in de juiste richting bewegen.
-
In de laatste stap werden de ionen gescheiden op basis van hun massa. De elektromagnetische scheider buigt ionen met verschillende massa’s af naar verschillende posities in het focuspunt. Lichtere ionen worden minder afgebogen dan zwaardere, waardoor de natuurlijk voorkomende rubidiumisotopen ⁸⁵Rb (72%) en ⁸⁷Rb (28%) van elkaar werden gescheiden.
-
Een vast magnetisch veld buigt alleen ionen met een bepaalde specifieke massa af naar de controlepositie in het focuspunt van de magneet. Om de exacte samenstelling van de ionenbundel te onderzoeken, werd de sterkte van het magnetische veld gevarieerd. Hierdoor konden wetenschappers niet alleen de natuurlijk voorkomende rubidiumisotopen identificeren, maar ook andere aanwezige stoffen in het verdampte staal. Zo werden sporen van kalium en cesium gevonden, die als verontreinigingen in het natuurlijk rubidium-materiaal aanwezig waren.
Volgende stappen en toekomstig onderzoek
Om de inbedrijfstellingsfase af te ronden, zal het ISOL-team het systeem verder verbeteren en karakteriseren voor operationeel gebruik. Dit houdt in dat ze de bundel-eigenschappen bekijken en de beste manier bepalen om de deeltjes door de verschillende delen van de bundellijn te transporteren. Na de inbedrijfstelling zal het systeem worden gebruikt voor verschillende onderzoeksprojecten, zoals het ontwikkelen van nieuwe ionenbronnen voor on-line toepassingen, het scheiden van medische isotopen en fundamenteel onderzoek.
Deze succesvolle test is een belangrijke stap richting de realisatie van ISOL@MYRRHA.
Lees meer over ISOL@MYRRHA