I regni esterni della tavola periodica, dove stabile, gli isotopi a vita lunga lasciano il posto agli ioni radioattivi, offrire agli scienziati nucleari uno sguardo unico sulla struttura dei nuclei e una migliore comprensione di come i diversi elementi nel nostro universo siano stati generati dalla fusione stellare o dalle esplosioni di supernova.

Per produrre e accelerare fasci di isotopi radioattivi per esperimenti di fisica, gli scienziati si rivolgono a strutture come l'Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility situato presso l'Argonne National Laboratory per lo studio della fisica nucleare. Dalla prima accelerazione di successo di un fascio di ioni da parte dell'impianto prototipo ATLAS nel 1978, ATLAS ha continuato a introdurre componenti che aggiungono selezioni di raggio uniche e migliorano notevolmente la qualità del raggio, comprese le recenti aggiunte dell'Electron Beam Ion System (EBIS) e dell'Argonne In-Flight Radioactive Ion Separator (RAISOR).

ATLAS ha iniziato la sua vita principalmente come struttura di travi stabile, ma nel corso degli ultimi due decenni gli scienziati hanno sperimentato tecniche per sviluppare fasci di ioni radioattivi. Nel 2009, Argonne ha aggiunto ad ATLAS un sistema chiamato CARIBU, per l'aggiornamento dell'allevatore di ioni rari Californium, che è in grado di generare fasci di isotopi rari.

Preparare le travi CARIBU per l'accelerazione in ATLAS richiede un precondizionamento speciale, ha detto il fisico di Argonne Clay Dickerson. CARIBU agisce rallentando i prodotti di decadimento di una sorgente di californio-252 radioattivo nel gas elio.

"È come cercare di correre attraverso una fossa di palline; i frammenti perdono parte della loro energia, " Dickerson ha detto. "Con qualche manipolazione intelligente, possiamo usare magneti per selezionare ioni con le masse specifiche che vogliamo." Il sistema CARIBU può separare diversi isotopi purché le loro masse differiscano di una parte su 15, 000.

Una volta che i ricercatori di fisica nucleare selezionano un particolare fascio di isotopi, deve eventualmente essere accelerato in ATLAS. Per realizzare questo, Dickerson e i suoi colleghi hanno dotato ATLAS del nuovo EBIS, che consente al fascio di adattarsi alle strutture in accelerazione aumentando la carica positiva del fascio ionico.

L'EBIS fa questo sparando un fascio di elettroni ad alta energia agli ioni, ognuno dei quali ha circa 40-50 elettroni. Quando il fascio di elettroni EBIS rimuove gli elettroni che circondano gli ioni radioattivi, lo stato di carica degli ioni diventa sempre più positivo, consentendo loro di essere accelerati in modo efficiente.

Mentre EBIS è bravo a preparare fasci di isotopi relativamente pesanti, quelli con dozzine di protoni, la struttura RAISOR offre agli scienziati un modo per esaminare quegli isotopi più leggeri verso la parte superiore della tavola periodica. Per generare questi fasci radioattivi, i ricercatori devono prima iniziare con un raggio stabile e poi farlo scontrare con un bersaglio. Una volta generato il raggio di interesse, i fisici nucleari di ATLAS possono eseguire ulteriori esperimenti con esso a valle.

"Questo metodo, che produce fasci radioattivi 'in volo', è conveniente e versatile, e consente meglio l'esplorazione di una parte significativa della quasi stabilità, isotopi a bassa massa, "Dickerson ha detto.

Sebbene RAISOR non sia il primo sistema di produzione di travi in ​​volo di ATLAS, affronta una serie di sfide vissute con il sistema precedente, che era principalmente un prototipo di macchina utilizzata per offrire una prova di principio. Ad esempio, RAISOR ha un dump del fascio dedicato che può essere utilizzato per assorbire il fascio utilizzato per creare i fasci radioattivi, dando agli scienziati un modo molto più semplice per controllare la potenza del raggio. "RAISOR spinge davvero oltre i nostri limiti precedenti in modo da poter passare a una maggiore intensità e produrre più raggi, "Dickerson ha detto.

I recenti miglioramenti di ATLAS con EBIS e RAISOR presso ATLAS aiuteranno gli scienziati a sondare le strutture di elementi esotici, studiare la natura delle forze nucleari, e comprendere meglio la produzione di elementi nelle stelle e nelle supernove.