Введение

Физический комплекс в ЦЕРН ISOLDE (Изотопный сепаратор на линии) – установка для получения пучков радиоактивных ионов, являющаяся изотопным сепаратором, расположенным в центре ускорительного комплекса ЦЕРН на франко-швейцарской границе. Созданная в 1964 году, установка ISOLDE начала поставлять радиоактивные ионные пучки (RIB) пользователям в 1967 году. Изначально расположенная у ускорителя Synchro Cyclotron (SC) – первого ускорителя частиц ЦЕРН, установка неоднократно модернизировалась, особенно в 1992 году, когда вся установка была перенесена и подключена к ускорителю Proton Synchrotron Booster (PSB) ЦЕРН. В настоящее время ISOLDE – старейшая действующая установка в ЦЕРН, постоянное развитие которой и проводимых на ней экспериментов позволяет ISOLDE оставаться в авангарде науки в области РИБ. ISOLDE служит широкому кругу физических сообществ, находя применение в ядерной, атомной, молекулярной физике и физике твердого тела, а также в биофизике и астрофизике, и используется для проведения высокоточных экспериментов по поиску физики за пределами Стандартной модели. Управляется установка коллаборацией ISOLDE, в которую входят ЦЕРН и шестнадцать (в основном) европейских стран. По состоянию на 2019 год около 1000 экспериментаторов со всего мира (со всех континентов) приезжают в ISOLDE для проведения в среднем 50 различных экспериментов в год. Радиоактивные ядра производятся в ISOLDE путем бомбардировки высокоэнергетическим (1,4 ГэВ) пучком протонов, поставляемым ускорителем PSB ЦЕРН, мишенью толщиной 20 см. В зависимости от требуемых конечных изотопов, запрашиваемых экспериментаторами, используются различные материалы мишеней. Взаимодействие протонного пучка с материалом мишени приводит к образованию радиоактивных видов в результате реакций спалляции, фрагментации и деления. Затем они извлекаются из основной массы материала мишени посредством процессов тепловой диффузии путем нагрева мишени примерно до 2000 °C. Полученный коктейль изотопов в конечном итоге фильтруется с использованием одного из двух магнитных дипольных сепараторов масс ISOLDE для получения необходимого изобара. Время, необходимое для процесса экстракции, определяется природой требуемого изотопа и/или материала мишени и устанавливает нижний предел на период полураспада изотопов, которые могут быть получены этим методом, и обычно составляет порядка нескольких миллисекунд. Для дополнительного разделения, резонансный ионизирующий лазерный источник ионов (RILIS) использует лазеры для ионизации конкретного элемента, что позволяет разделять радиоизотопы по их атомному номеру. После извлечения изотопы направляются либо в один из нескольких экспериментов по ядерной физике с низкой энергией, либо в зону сбора изотопов. В 2018 году было завершено крупное обновление пост-ускорителя REX до сверхпроводящего линака HIE ISOLDE (High Intensity and Energy Upgrade), что позволило повторно ускорять радиоизотопы до более высоких энергий, чем это было возможно ранее.

Предыстория

Большинство атомных ядер содержат протоны и нейтроны. Количество протонов определяет химический элемент, к которому принадлежит ядро. Разные изотопы одного и того же элемента имеют разное количество нейтронов в своих ядрах, но содержат одинаковое количество протонов. Например, изотопы углерода включают углерод-12, углерод-13, углерод-14, которые содержат 6, 7, 8 нейтронов соответственно, но все содержат 6 протонов. Каждый изотоп элемента имеет разное состояние ядерной энергии и может обладать различной стабильностью. Нуклид – это более общий термин, чем изотоп, и относится к атомам с любым определенным числом протонов и нейтронов. Стабильные нуклиды не являются радиоактивными и не подвергаются спонтанному радиоактивному распаду, поэтому чаще встречаются в природе. Нестабильные (то есть радиоактивные) нуклиды, если нет недавнего источника их образования, в природе не встречаются, поскольку они имеют меньший период полураспада и спонтанно распадаются, в один или несколько этапов, до более стабильных нуклидов. Например, углерод-14 нестабилен, но встречается в природе. Ученые используют ускорители и ядерные реакторы для получения радиоактивных нуклидов. В общем случае, и среди прочих факторов, стабильность нуклида определяется отношением числа нейтронов к числу протонов. Значение этого отношения для стабильных нуклидов обычно возрастает для более крупных ядер с большим количеством протонов и нейтронов. Многие нестабильные нуклиды имеют нейтронно-протонное отношение, выходящее за пределы зоны стабильности. Время, необходимое для распада половины количества данного нуклида в результате радиоактивного распада, – период полураспада – является мерой стабильности изотопа. Нуклиды можно визуально представить на таблице (диаграмма Сегре или таблица нуклидов), где число протонов откладывается по оси абсцисс, а число нейтронов – по оси ординат.

История

В 1950 году два датских физика Отто Кофоед Хансен и Карл Ове Нильсен открыли новую методику производства радиоизотопов, которая позволила получать изотопы с более коротким периодом полураспада, чем при использовании предыдущих методов. Копенгагенский эксперимент, проведенный ими, включал упрощенную версию тех же элементов, которые используются в современных онлайн-экспериментах. Десять лет спустя, в Вене, на симпозиуме по разделению радиоизотопов были опубликованы планы по созданию онлайн-сепаратора изотопов. Используя эти планы, группа ядерной химии CERN (NCG) построила прототип онлайн-масс-сепаратора, соединенного с мишенью и источником ионов, который облучался 600-меВ протонным пучком, поставляемым синхроциклотроном CERN. Испытание прошло успешно и показало, что синхроциклотрон является идеальным ускорителем для производства редких изотопов в режиме онлайн. План электромагнитного сепаратора изотопов был разработан в 1963–1964 годах европейскими физиками-ядерщиками, и в конце 1964 года их предложение было одобрено генеральным директором CERN, после чего начался проект ISOLDE. "Финансовый комитет" проекта, первоначально состоявший из пяти членов, был расширен до двенадцати, включив по два представителя от каждой "страны" (включая CERN). Поскольку термин "Финансовый комитет" имел иные коннотации, было решено "до тех пор, пока не будет найдено лучшее название", называть сам проект ISOLDE, а комитет – Комитетом ISOLDE. В 1965 году, когда в CERN велись раскопки под подземный зал, сепаратор изотопов для ISOLDE строился в Орхусе. Строительство сепаратора продвигалось успешно в 1966 году, одновременно с назначением Арве Кьельберга первым координатором ISOLDE, а подземный зал был завершен в 1967 году. 16 октября 1967 года первые протонные пучки взаимодействовали с мишенью, и первые эксперименты подтвердили работоспособность разработанной методики. В 1969 году была опубликована первая статья, посвященная исследованию различных короткоживущих изотопов. Новая конструкция мишени в сочетании с увеличенной интенсивностью пучка синхроциклотрона привела к значительному увеличению количества производимых нуклидов. Однако, со временем внешний ток пучка синхроциклотрона стал ограничивающим фактором. В ходе обсуждения рассматривалась возможность переноса установки на ускоритель, способный достигать более высоких значений тока, но было принято решение о строительстве нового сепаратора ультрасовременной конструкции. Новый сепаратор высокого разрешения ISOLDE 3 был полностью введен в эксплуатацию к концу 80-х годов. В 1990 году на установке был установлен новый ионный источник RILIS для селективного и эффективного производства радиоактивных пучков. Синхроциклотрон был выведен из эксплуатации в 1990 году после более чем тридцати лет работы. В связи с этим было принято решение о переносе установки ISOLDE на Протонный синхротрон и размещении мишеней во внешнем пучке от его 1-ГэВ бустера. Строительство нового экспериментального зала ISOLDE началось примерно за три месяца до вывода из эксплуатации синхроциклотрона. Последний представляет собой реконструированную версию ISOLDE 3. Первый эксперимент на новой установке, известной как ISOLDE PSB, был проведен 26 июня 1992 года. В мае 1995 года на установке были установлены два промышленных робота для работы с мишенями и блоками ионных источников без участия человека. Для расширения спектра научных исследований на установке в 1995 году была одобрена система пост-ускорения под названием REX ISOLDE (Radioactive beam EXperiments at ISOLDE), которая была введена в эксплуатацию в 2001 году. Благодаря этому новому дополнению на ISOLDE теперь можно проводить ядерные реакции, требующие высокоэнергетических радиоактивных ионных пучков. Здание установки было расширено в 2005 году, чтобы обеспечить возможность проведения большего числа экспериментов. В 2007 году на установке был установлен ISCOOL – ионный охладитель и накопитель, повышающий качество пучка для экспериментов. В 2006 году Международный консультативный совет решил, что модернизация зала ISOLDE с использованием линейного пост-ускорителя на основе сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов позволит обеспечить полную доступность энергии без снижения качества пучка. Проект HIE ISOLDE был одобрен в декабре 2009 года и предусматривает увеличение диапазона энергий с 3 МэВ на нуклон до 5 МэВ и, в конечном итоге, до 10 МэВ на нуклон. В конструкцию также включено увеличение интенсивности пучка для оптимального использования протонных пучков. Установка MEDICIS предназначена для работы с остаточными протонными пучками, прошедшими через первую мишень. Вторая мишень производит специфические радиоизотопы, которые поставляются в больницы и исследовательские учреждения и могут быть введены в организм. В 2013 году, во время длительной остановки 1, были демонтированы три здания ISOLDE. На их месте было построено новое единое здание с новой диспетчерской, помещением для хранения данных, тремя лазерными лабораториями, лабораторией биологии и материалов, а также комнатой для посетителей. Также было построено дополнительное здание для проекта MEDICIS и несколько других помещений, оборудованных системами электроснабжения, охлаждения и вентиляции для будущего использования в проекте HIE ISOLDE. Кроме того, роботы, установленные для работы с радиоактивными мишенями, были заменены на более современные модели. В 2015 году впервые радиоизотопный пучок был ускорен до энергии 4,3 МэВ на нуклон на установке ISOLDE благодаря модернизации HIE ISOLDE. В конце 2017 года установка MEDICIS CERN произвела свои первые радиоизотопы и к концу 2020 года поставила девяти больницам и исследовательским учреждениям 41 партию радиоизотопов. В 2018 году был завершен второй этап модернизации HIE ISOLDE, который позволяет ISOLDE ускорять радиоактивные пучки до 10 МэВ на нуклон.

Объект и концепция

В комплексе ISOLDE находятся лаборатории класса А, здания для проектов HIE ISOLDE и MEDICIS, а также контрольные комнаты, расположенные в здании 508. До создания ISOLDE радиоактивные нуклиды транспортировались из зоны производства в лабораторию для исследования. На ISOLDE все процессы, от производства до измерений, объединены, и радиоактивному материалу не требуется дополнительная транспортировка. Благодаря этому ISOLDE называют установкой с непрерывным потоком (on-line facility). На установке ISOLDE основной протонный пучок для реакций поступает из PSB. Входящий протонный пучок имеет энергию 1,4 ГэВ, а его средняя интенсивность варьируется до 2 мкА. Пучок входит в комплекс и направляется к одному из двух масс-сепараторов: сепаратору общего назначения (GPS) и сепаратору высокого разрешения (HRS). Сепараторы независимо управляют системами ионных источников и мишеней, обеспечивая получение RIB с энергией 60 кэВ. Мишени, используемые на ISOLDE, позволяют быстро производить и извлекать радиоактивные ядра. Мишени иногда состоят из расплавленного металла, поддерживаемого при высокой температуре (от 700 °C до 1400 °C), что приводит к длительному времени высвобождения изотопов. Нагрев мишени до более высоких температур, обычно выше 2000 °C, обеспечивает более быстрое высвобождение. Ионные источники, используемые в сочетании с мишенями на ISOLDE, производят ионный пучок (предпочтительно) одного химического элемента. Используются три типа: источники поверхностных ионов, плазменные источники ионов и лазерные источники ионов. GPS состоит из магнита с двойной фокусировкой с радиусом изгиба 1,5 м и углом изгиба 70°. Разрешение GPS составляет приблизительно 800. GPS направляет пучки на электронный переключатель, позволяя одновременно извлекать три пучка, разделенных по массе. Второй сепаратор, HRS, состоит из двух дипольных магнитов с радиусами изгиба 1 м и углами изгиба 90° и 60°, а также сложной ионно-оптической системы. Общее разрешение HRS измерено как 7000, что позволяет использовать его для экспериментов, требующих более высоких значений массового разрешения. Переключатель GPS и HRS соединены с общей центральной линией пучка, используемой для подачи пучка на различные экспериментальные установки, расположенные в комплексе ISOLDE.

Школа

ISOLDE COOLer (ISCOOL) расположен ниже по потоку от HRS и простирается до узла объединения пучков, соединяющего два пучка масс-сепаратора. ISCOOL – это универсальный радиочастотный четырехполюсный охладитель и формирователь пучков (RFQCB), предназначенный для охлаждения (улучшения качества пучка) и формирования пучка РИБ от HRS. Поступающие ионы сталкиваются с нейтральным буферным газом, теряя энергию, и затем радиально удерживаются. После этого пучок извлекается из ISCOOL.

РИЛИС

Магнитные сепараторы массы способны разделять изобары по массовому числу, однако они не могут разделять изотопы с одинаковой массой. Если эксперименту требуется более высокая степень химической чистоты, луч должен быть дополнительно разделен по заряду (числу протонов). RILIS обеспечивает такое разделение с помощью ступенчатой резонансной фотоионизации, использующей точно настроенные лазерные длины волн, соответствующие последовательным энергиям электронных переходов конкретного элемента. Ионизация происходит только для целевого элемента, а остальные элементы в источнике ионов остаются неизменными. Этот процесс лазерной ионизации осуществляется в горячей металлической полости для обеспечения пространственного удержания, необходимого для освещения атомного пара. Для ионизации атома перед его выходом из полости требуется высокочастотная лазерная система. В целом, установка ISOLDE производит 1300 изотопов из 75 элементов периодической таблицы.

REX-ISOLDE

Пост-ускоритель REX ISOLDE представляет собой комбинацию различных устройств, используемых для ускорения радиоизотопов с целью повышения их энергии до 10 МэВ на нуклон, по сравнению с 3 МэВ на нуклон благодаря модернизации HIE ISOLDE. Поступающие РИБ обладают достаточной энергией для преодоления первого потенциального барьера ловушки Пеннинга REXTRAP, однако внутри ловушки ионы теряют энергию при столкновениях с атомами буферного газа. Это приводит к охлаждению ионов, а их движение демпфируется комбинацией радиочастотного (РЧ) возбуждения и буферного газа. Ионные пучки извлекаются из REXTRAP и инжектируются в REXEBIS. Для разделения последующих ионов требуется масс-сепаратор из-за низкой интенсивности после экстракции из EBIS. Следующая ступень REX ISOLDE состоит из нормально проводящего (комнатной температуры) линака, где ионы ускоряются с помощью RFQ. В межпальцевой структуре H-типа (IH) используются резонаторы для увеличения энергии пучка до максимального значения.

Усовершенствования HIE-ISOLDE

Для таких установок, как ISOLDE, крайне важно удовлетворять постоянно возрастающим требованиям к качеству, интенсивности и энергии производственного пучка. В качестве новейшего ответа на эти требования в настоящее время реализуется проект модернизации HIE ISOLDE. Благодаря поэтапному планированию, проект модернизации проводится с минимальным воздействием на продолжающиеся эксперименты на установке. Проект включал увеличение энергии для REX ISOLDE до 10 МэВ, а также модернизацию резонаторов и охладителей, повышение интенсивности входного пучка от PSB, улучшение мишеней, ионных источников и масс-сепараторов. После завершения второго этапа модернизации HIE ISOLDE в 2018 году, который включал установку четырех криомодулей с высоким бета, следующий и заключительный этап предусматривает замену структур REX после структуры IH (IHS) двумя криомодулями с низким бета. Это улучшит качество пучка и позволит непрерывно изменять энергию в диапазоне от 0,45 до 10 МэВ на нуклон. Являясь передовым проектом, HIE ISOLDE, как ожидается, выведет исследовательские возможности установки ISOLDE на новый уровень. После завершения модернизированная установка сможет проводить передовые эксперименты в таких областях, как ядерная физика и ядерная астрофизика.

Экспериментальные установки

ISOLDE включает в себя как временные, так и стационарные экспериментальные установки. Временные установки на комплексе ISOLDE функционируют в течение ограниченного времени и обычно предназначены для регистрации определенных каналов распада ядер. Стационарные экспериментальные установки имеют постоянное расположение на комплексе. К ним относятся:

СОГЛАСИЯ

Эксперимент COLINEAR LAser SPectroScopy (COLLAPS) работает на установке ISOLDE с конца 1970-х годов и является старейшим действующим экспериментом на объекте. COLLAPS изучает свойства основного и изомерных состояний крайне нестабильных (экзотических) ядер с коротким временем жизни, включая измерения их спинов, электромагнитных моментов и зарядовых радиусов. В эксперименте используется метод коллинеарной спектроскопии с применением лазеров для доступа к необходимым атомным переходам.

EC-SLI

Эксперимент по канализации выбросов с использованием короткоживущих изотопов (EC SLI) применяет метод канализации выбросов для изучения расположения допантов и примесей в кристаллах и эпитаксиальных тонких пленках. Это достигается путем введения в кристалл короткоживущих изотопных меток и измерения изменения интенсивности электронов, чтобы определить, подверглись ли они воздействию частиц, испускаемых при распаде.

IDS

Эксперимент ISOLDE Decay Station (IDS) – это установка, позволяющая подключать различные экспериментальные системы к станции с использованием спектроскопических методов, таких как быстрый тайминг или времяпролетная спектроскопия (ToF). Станция, функционирующая с 2014 года, используется для измерения свойств распада широкого спектра радиоактивных изотопов в различных областях применения. Результаты, полученные с помощью IDS, оказались полезными для астрофизики, поскольку позволила измерить вероятность определенного типа распада, наблюдаемого в красных гигантах.

МКС

В эксперименте ISOLDE соленоидальный спектрометр (ISS) использует бывший в употреблении МРТ-магнит для направления радиоактивных ионов (РИБ) на легкую мишень. Условия, создаваемые в ходе этой реакции, воспроизводят те, что существуют в астрофизических процессах, а измерение свойств атомных ядер позволит лучше понять взаимодействия нуклонов в экзотических ядрах. Эксперимент был запущен в 2021 году и завершен во время длительного перерыва в работе ускорителя (Long Shutdown 2). С момента начала эксплуатации ISOLTRAP измерил массу сотен короткоживущих радиоактивных ядер, а также подтвердил существование так называемых "двойно магических" изотопов. В 2011 году установка была модернизирована за счет добавления многоотражательного масс-спектрометра с измерением времени пролета (MR ToF), что позволило детектировать более экзотические изотопы.

Люкреция

Эксперимент LUCRECIA основан на гамма-спектрометре полного поглощения (TAS), который измеряет гамма-переходы в нестабильном родительском ядре. По результатам этих измерений анализируется ядерная структура и подтверждаются теоретические модели, а также делаются предсказания для астрофизики.

Мини-бол

Эксперимент Miniball – это установка гамма-спектроскопии, состоящая из массива германиевых детекторов высокого разрешения. Эксперимент используется для анализа распадов короткоживущих ядер, участвующих в реакциях кулоновского возбуждения и переноса. Результаты, полученные в Miniball на ISOLDE и продемонстрировавшие свидетельства существования тяжелых ядер грушевидной формы, были названы Институтом физики (IoP) в числе "десяти главных прорывов в физике".

Чудеса

Эксперимент Multi Ion Reflection Apparatus for CoLlinear Spectroscopy (MIRACLS) определяет свойства экзотических радиоизотопов, измеряя их гиперфинную структуру. В MIRACLS используется лазерный спектрометр для ионных пучков, захваченных в MR ToF, с целью увеличения длины пути ионов. В настоящее время эксперимент находится в стадии проектирования и строительства.

СК

Камера рассеяния (КР) позволяет проводить разнообразные ядерные реакции и дополняет установки ISS и Miniball, так как КР не регистрирует гамма-излучение. Установка используется для изучения низколежащих резонансов в легких атомных ядрах посредством реакций переноса.

ВИТО

Эксперимент "Универсальная ионная поляризация в онлайне" (VITO) – это лучевая линия, предназначенная для исследования слабого взаимодействия и определения свойств короткоживущих неустойчивых ядер. В эксперименте используется метод оптической накачки для получения лазерно-поляризованных радиоактивных ионов, что позволяет проводить разнообразные исследования. На лучевой линии VITO проводятся три независимых исследования, включая станцию β-ЯМР-спектроскопии.

WISArD

Эксперимент "Исследования слабых взаимодействий при распаде 32Ar" (WISArD) изучает слабое взаимодействие в поисках физики за пределами Стандартной модели (СМ). В установке WISArD повторно используется часть инфраструктуры эксперимента WITCH, а также его сверхпроводящий магнит. Исследования в области физики твердого тела (SSP) занимают 10–15% от годового распределения времени пучка и используют около 20–25% от общего числа экспериментов, проводимых в ISOLDE. Лаборатория применяет метод временной дифференциальной возмущенной угловой корреляции (TDPAC) для изучения большого количества доступных радиоактивных элементов, поставляемых ISOLDE. Этот метод также применялся для измерения ферромагнитных и ферроэлектрических свойств материалов, а также для предоставления ионных пучков другим установкам в ISOLDE. Дополнительные методы, используемые в SSP, включают диффузию трассеров, онлайн-спектроскопию Мёссбауэра (57Mn) и фотолюминесценцию с радиоактивными ядрами.

Установки на линии освещения

В рамках проекта HIE ISOLDE была создана сеть линий передачи высокоэнергетических пучков (HEBT) на установке ISOLDE. Общая секционная линия XT00 присоединяется к трем изгибающим линиям пучка (XT01, XT02, XT03), ведущим к различным экспериментальным установкам. Эти три идентичные линии пучка независимы друг от друга: например, если первый дипольный магнит XT01 выключен, пучок продолжит движение по линиям XT02 и XT03. Все они отклоняют пучок на 90 градусов и фокусируют его с помощью двух дипольных магнитов и двойного квадруполя. Линия XT01 ведет к установке Miniball, линия XT02 – к ISS, а линия XT03 – к мобильным установкам, таким как камера рассеяния SEC. Установка включает в себя линию пучка, заключенную в клетку Фарадея, а также лазерную лабораторию и пункт управления. Отдельная установка предназначена для проведения испытаний мишеней и была модернизирована для обеспечения возможности производства и изучения пучков молекулярных ионов.

Улучшения и будущие работы

Ниже приведен список необходимых улучшений для установки ISOLDE, учитывающий как среднесрочные, так и долгосрочные цели. Некоторые из этих улучшений были предложены проектом EPIC.