ISOLDE – einzigartige Quelle für radioaktive Isotope

ISOLDE, die Vielfältige: Die am CERN beheimatete Ionenquelle ISOLDE, kurz für „Isotope Separator On Line Device“, kann mehr als tausend verschiedene Isotope von über siebzig chemischen Elementen produzieren und für Experimente zur Verfügung stellen – eine vergleichbare Bandbreite gibt es sonst nirgendwo. Festkörperphysikerinnen und -physiker schleusen die ionisierten radioaktiven Isotope unter anderem wie winzige „Spione“ in Materialien ein, um mehr über deren Eigenschaften zu erfahren.

Was dem Chemiker sein Periodensystem, ist der Kernphysikerin ihre Nuklidkarte: Diese grafische Darstellung aller bekannten stabilen und instabilen Isotope der Elemente ist die Grundlage für Kernforschung. Dass die Nuklidkarte heute so viele Informationen enthält, hat die Wissenschaft auch der an der Ionenquelle ISOLDE geleisteten Pionierarbeit zu verdanken. Mit ISOLDE konnten die Forscherinnen und Forscher viele Isotope überhaupt erst entdecken, systematisch erzeugen und charakterisieren. Vollständig ist die Nuklidkarte allerdings noch nicht. Aber was ist überhaupt ein Isotop?

Blick von oben auf das Experiment MINIBALL. Das kugelförmige Gebilde besteht aus Metallzylindern mit Gammadetektoren, die wie bei den Stacheln eines zusammengerollten Igels in alle Richtungen abstehen. Kabelbündel führen von der Kugel weg zu anderen Geräten außerhalb des Bildausschnittes.
Dauerexperiment MINIBALL

Ein Atomkern ist aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen zusammengesetzt. Die Atomhülle besteht dagegen aus negativ geladenen Elektronen. Ist ein Atom ungeladen – also neutral – ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Entscheidend für die chemischen Eigenschaften des Atoms ist nun die Anzahl der Protonen und Elektronen, aus denen es besteht. So verhalten sich alle Atome mit acht Protonen und acht Elektronen wie Sauerstoff und zählen somit zum chemischen Element Sauerstoff. Alle Atome mit nur einem Proton und einem Elektron dagegen haben die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und zählen somit zum chemischen Element Wasserstoff.

Ein Isotop ist wiederum eine Atomvariante desselben chemischen Elements, die sich nur in der Anzahl an Neutronen unterscheidet. Wasserstoff etwa hat drei Isotope – das sehr häufige Protium, das aus einem Proton und einem Elektron besteht, das seltene Deuterium, welches zusätzlich noch ein Neutron im Kern enthält und das sehr seltene Tritium, das sich neben Proton und Elektron aus zwei Neutronen zusammensetzt. Die beiden zusätzlichen Neutronen machen den Tritiumkern instabil. Das bedeutet, dass Tritium nach etwa zwölf Jahren auf die Hälfte seiner ursprünglichen Menge zerfallen ist. Diesen Zeitraum nennen Forschende Halbwertszeit und das zerfallende Isotop radioaktiv. Die Ionenquelle ISOLDE produziert solche radioaktiven Isotope.

Seit 50 Jahren läuft die Ionenquelle am CERN

In den 1960er Jahren startete das erste Experiment mit ISOLDE am Forschungszentrum CERN in der Schweiz. Kurz darauf gab es schon die ersten Ergebnisse: Mehrere zuvor völlig unbekannte Isotope der Elemente Krypton, Xenon, Quecksilber und Radon konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler identifizieren.

Wie schon in der Pionierphase entfällt auch heute ein Großteil der von ISOLDE bereitgestellten „Strahlzeit“ auf Experimente in den Bereichen Kern-, Astro- und Teilchenphysik. Im Lauf der Zeit wurden jedoch die Bereiche Festkörperphysik, Biologie und Medizin immer bedeutsamer. Das Prinzip der Erzeugung radioaktiver Isotope im sogenannten ISOL, kurz für „Isotope Separator On Line Device“, war prototypisch für weitere vergleichbare Anlagen in Frankreich, Italien und Nordamerika und wird deshalb als ISOL-Prozess bezeichnet.

Wie radioaktive Isotope entstehen

Das Experiment ASPIC auf einem Arbeitstisch am der VITO-Beamline. Die Vakuumkammer ist ein auf der Seite liegender Metallzylinder mit zahlreichen runden Metallanschlüssen an allen Seiten. Kabelbündel führen vom Zylinder weg zu anderen Geräten.
Ultrahochvakuum-Kammer ASPIC zur Untersuchung dünner Schichten

So nutzt ISOLDE einen vom Teilchenbeschleuniger produzierten Strahl aus Protonen mit einer Energie von 1,4 Gigaelektronenvolt und lenkt diesen in ein hochgradig abgeschirmtes, mit Eisen, Beton und Erde bedecktes „Target-Area“. In diesem Strahlenschutzbereich treffen die Protonen auf ihr Zielmaterial, das sogenannte Target. Je nach gewünschtem Isotop kommen dafür verschiedene Stoffe – darunter Metalle, Carbide und Oxide – zum Einsatz. Sollen etwa Quecksilber-Isotope produziert werden, ist Blei das Target-Material der Wahl. Sind dagegen Cadmium-Isotope gewünscht, wird Zinn verwendet. Der alte Traum der Alchemie wird hier also Realität: Ein Element wird in ein anderes „verwandelt“.

Der Protonenbeschuss spaltet die Atomkerne des Targets oder zerschmettert sie wie ein Projektil. Damit die dabei entstehenden radioaktiven Isotope schneller aus dem Target heraus in die Ionenquellen gelangen, wird das Target-Material auf bis zu 2500 Grad Celsius erhitzt. In den Ionenquellen werden die Isotope durch den Kontakt mit heißen Metalloberflächen ionisiert. Das heißt, Elektronen werden aus der Hülle der bis dahin elektrisch neutralen Target-Atome geschlagen. Die Forschenden beschleunigen die nun positiv geladenen Isotope auf eine Energie bis zu sechzig Kiloelektronenvolt und trennen die Teilchen mit sogenannten Separatoren nach ihrer Masse.

So kann ISOLDE Ionenstrahlen hoher Reinheit produzieren, und das für mehr als tausend verschiedene Isotope. Die nach Masse getrennten, beschleunigten und positiv geladenen Isotope werden nun zu den Experimenten weitergeleitet.

Was mit ISOLDE erforscht wird

Pro Jahr laufen an ISOLDE im Schnitt mehr als fünfzig Experimente auf zahlreichen Gebieten der Kern- und Atomphysik, Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Biowissenschaften und Astrophysik. Viele von ihnen sind „reisende“ Experimente. Das heißt, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bauen ihre Geräte erst auf, wenn ISOLDE kurz davor ist, den benötigten Ionenstrahl zu produzieren. Danach transportieren die Forschenden ihren Aufbau zurück in die heimische Forschungseinrichtung oder zu anderen radioaktiven Ionenstrahlenquellen. Einige Experimente sind jedoch dauerhaft bei ISOLDE installiert, da sie zu komplex oder schwer sind.

Zwei fahrbare Industrieroboterarme im ISOLDE-Strahlenschutzbereich. Hinter jedem Roboter führt eine lange Schiene durch einen Gang zu den Metallcontainern, in denen sich das Target-Material befindet.
Industrieroboter tauschen die Target-Einheiten von ISOLDE

Ein für die Forschung an ISOLDE besonders wichtiges Experiment ist der sogenannte MINIBALL. Dabei handelt es sich um ein hochauflösendes Gammaspektrometer, also einen Detektor für Gammastrahlung aus einer radioaktiven Strahlungsquelle, das im Kern aus kugelförmig angeordneten Germanium-Einkristallen besteht. Im Zentrum der Kristallanordnung liegt die Kollisionszone, in der die radioaktiven Ionen auf ein Target treffen. Bei diesem Beschuss kommt es zu einer Anregung der Atomkerne im Target-Material. Fallen diese wieder in den Zustand vor der Anregung zurück, senden sie Gammastrahlung aus, die das Spektrometer registriert. Auf diese Weise untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor allem die Eigenschaften „exotischer“ und damit besonders instabiler Isotope.

Auch Dauerexperimente wie ISOLTRAP, ein Ionenfallen-Massenspektrometer, dienen vor allem der Charakterisierung instabiler Isotope: So konnten Forschende seit den 1980er-Jahren mithilfe von ISOLTRAP die Massen von über vierhundert kurzlebigen Isotopen mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Von Spionen und nuklearen Sonden

Aber an ISOLDE wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur die produzierten radioaktiven Atomkerne und deren Zerfallsreihen charakterisieren. Ein weiterer Fokus der Experimente liegt auf der Festkörperphysik. Dabei machen sich die Forschungsgruppen die Zerfallseigenschaften der Isotope zunutze und schleusen diese als winzige Spione in das zu untersuchende Material ein. Im Zielmaterial angekommen, „kundschaften“ diese nuklearen Sonden ihre nähere Umgebung aus und übermitteln die Information nach außen: Sobald sie zerfallen, senden sie ihre Zerfallsprodukte aus. Das können sogenannte α- oder β-Teilchen und Gammastrahlung sein.

Lasersystem RILIS in einem abgedunkelten Raum. Auf einer Plattform aus Metall befinden sich zahlreiche optische Linsen durch die ein hell leuchtender Laserstrahl geleitet wird. Ein Mitarbeiter mit Schutzbrille nimmt gerade eine Einstellung an einer der Linsen vor.
Lasersystem RILIS zur Ionisation der Isotope

Weil die Ausbreitung dieser Emissionen etwa von der atomaren Gitterstruktur des Zielmaterials abhängt, beobachten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den genauen Verlauf der Emissionen. Dadurch können sie auf die räumlichen, chemischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Untersuchungsmaterials rückschließen. Vorstellen kann man sich diesen Prozess so, als würden die Forscherinnen und Forscher das Zielmaterial von innen „fotografieren“.

Dieses methodische Prinzip kommt nicht nur in der Materialforschung zum Einsatz, es kann auch bei medizinischen oder biologischen Fragestellungen neue Erkenntnisse bringen – so etwa um die Aktivität von Proteinen zu charakterisieren.

Wie man die Isotope schneller machen kann

Eine weitere technische Herausforderung für die Forschenden ist die Geschwindigkeit der Isotope: Um die radioaktiven Ionen effektiv in das Zielmaterial einzubringen, müssen die von ISOLDE bereitgestellten radioaktiven Isotope nicht nur ionisiert, sondern auch schnell sein. Daher gilt: Je schneller ein Ion, desto tiefer kann es in das Target eindringen.

Um also die radioaktiven Ionenstrahlen noch energiereicher und somit schneller zu machen, wurde 2001 der Nachbeschleuniger REX-ISOLDE, kurz für „Radioactive Beam Experiment“, installiert. Dieser fängt die Ionen zunächst in einer sogenannten Penning-Falle, wo sie zu Paketen zusammengefasst werden. Diese Pakete werden dann weiter ionisiert und schließlich in einem mehrstufigen Linearbeschleuniger auf hohe Geschwindigkeiten gebracht. REX-ISOLDE kann so die Energie der Ionenstrahlen von 60 Kiloelektronenvolt auf maximal 3,1 Megaelektronenvolt erhöhen. Das ist in etwa das Fünfzigfache der vorherigen Geschwindigkeit.

Aber es geht noch besser: Der neuste Nachbeschleuniger, ein supraleitender Linearschleuniger genannt HIE-ISOLDE, ist noch nicht komplett installiert, aber kommt schon auf Energien von bis zu 5,5 Megaelektronenvolt pro atomarer Masseneinheit. Wenn 2018 auch die letzten beiden der insgesamt sechs Module von HIE-ISOLDE installiert sind, wollen die Forschenden die Ionen auf Energien von bis zu 10 Megaelektronenvolt beschleunigen.

Und wer das Ganze finanziert

Betrieben wird ISOLDE von der sogenannten ISOLDE Collaboration, der aktuell das CERN und folgende Länder angehören: Belgien, Dänemark, Finnland, Frankreich, Deutschland, Griechenland, Großbritannien, Indien, Irland, Italien, Norwegen, Polen, Rumänien, Slowakei, Südafrika, Spanien und Schweden. Die Rechte und Pflichten der Partner sind in einem „Memorandum of Understanding“ geregelt. Darin hat das CERN sich verpflichtet, die Kosten für den laufenden Betrieb des Protonenstrahls, der Produktionstargets und der Ablenkmagneten zu tragen.

Das Bild zeigt die ISOLDE-Experimentierhalle mit kastenförmigen Aufbauten und Strahlrohren, die zu verschiedenen Experimenten führen.
ISOLDE-Experimentierhalle

Die an ISOLDE beteiligten Mitglieder der Kooperation tragen die Kosten zur Weiterentwicklung des Systems für neue Experimente – wie etwa den Strahltransport zu den Experimenten oder neue Target- und Ionenquellenentwicklungen. Zur Abdeckung dieser Kosten werden jährlich fast eine Million Schweizer Franken von den Institutionen der beteiligten Länder aufgebracht.

Aktuell arbeiten etwa 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei ISOLDE mit. Dabei stammte etwa ein Viertel der wissenschaftlichen Publikationen von Erstautorinnen und Erstautoren, die an deutschen Instituten und Universitäten forschen. Von 2013 bis 2019 fördert das Bundesforschungsministerium Universitätsgruppen aus Deutschland mit 2,5 Millionen Euro. Damit entwickeln die Forschenden unter anderem neue Messinstrumente für ISOLDE.

Steckbrief ISOLDE

Typ:

Ionenquelle

Technologie:

On-Line Isotopenmassenseparator

Standort:

Genf, Schweiz

Betreiber ISOLDE:

CERN

Betreiber Experimente:

ISOLDE Collaboration: 17 Mitgliedstaaten (aktiv und nicht aktiv) und CERN

Inbetriebnahme:

1967 am Synchro-Zyklotron (SC), seit 1992 am Proton Synchrotron Booster (PSB)

Finanzierung Betrieb ISOLDE:

aus dem CERN-Budget

Finanzierung Betrieb und Weiterentwicklung Experimente:

ISOLDE Collaboration

ISOLDE Collaboration Betriebskosten:

jährlich etwa 870 000 Schweizer Franken

Aktive Wissenschaftler/innen:

über 450

Aktive Experimente:

über 90

Anzahl der produzierbaren Isotope:

über 1000 aus mehr als 70 chemischen Elementen

Energie des Protonenstrahls am Proton Synchrotron Booster:

1,4 Gigaelektronenvolt

Energie des Ionenstrahls nach Massenseparation:

max. 60 Kiloelektronenvolt pro atomarer Masseneinheit

Energie des Ionenstrahls nach Beschleunigung (Stand Januar 2016):

max. 5,5 Megaelektronenvolt pro atomarer Masseneinheit

Zielmarke 2018 für Energie des Ionenstrahls nach Beschleunigung:

10 Megaelektronenvolt pro atomarer Masseneinheit