ISOLDE – Einzigartige Quelle für radioaktive Isotope

Experimentierstation ISOLDE

Es steckt bereits im Namen: Bei ISOLDE, dem „Isotope Separator On Line Device“, dreht sich alles um das Thema Isotope. Seit über fünfzig Jahren studieren Forscherteams aus aller Welt eine immense Vielfalt verschiedenster Atomvariationen. Denn: Auch wenn es nur knapp über hundert verschiedene chemische Elemente gibt, können viele verschiedene Varianten von ihnen vorliegen. Diese variieren je nach dem, ob der Atomkern mehr oder weniger Neutronen enthält. Die verschiedenen Atome haben teilweise völlig veränderte Eigenschaften: Zum Beispiel ist ein Kohlenstoffatom mit 14 Neutronen im Gegensatz zum Kohlenstoffatom mit zwölf Neutronen (12C) nicht dauerhaft stabil und zerfällt nach knapp sechstausend Jahren. In der Biologie und Geologie kann es deshalb Auskunft über das Alter eines Materialfundes geben.

Auch für deutlich schwerere Elemente haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des CERN mit ISOLDE bereits über tausend verschiedene Isotope hergestellt und charakterisiert. Sie stellen nie dagewesene Atomvariationen in vielen Größen und Zusammensetzungen her und studieren sie. Sie lernen zu verstehen, welche Kräfte in Atomkernen wirken, welche Prozesse stattfinden und wie sich verschiedene Kerne ineinander umwandeln. Außerdem implantieren sie die Isotope in unterschiedliche Materialien und nutzen sie dazu, Materialien sozusagen von innen zu fotografieren. Diese Messungen liefern Antworten darauf, wie Materialien im Innern aussehen und welche Kräfte dort herrschen.

Als gigantische Protonenkanone nutzt ISOLDE den Teilchenstrahl aus Protonen mit einer Energie von 1,4 Gigaelektronenvolt. Mit beinahe Lichtgeschwindigkeit schießen die Forschenden die Protonen auf das Zielmaterial, das zum Beispiel ein bestimmtes Metall sein kann. Sollen etwa Quecksilber-Isotope produziert werden, ist Blei das Target-Material der Wahl. Sind dagegen Cadmium-Isotope gewünscht, verwenden sie Zinn. Der alte Traum der Alchemie wird Realität: Ein Element „verwandelt“ sich in ein anderes. Doch was passiert genau?

Ultrahochvakuum-Kammer ASPIC zur Untersuchung dünner Schichten

Zunächst trifft ein solches Proton mit gigantischer Wucht auf das Zielmaterial, das „Target“. Dort ist es in der Lage, sogar Atomkerne zu spalten und sie in einzelne Bruchstücke zu zerschmettern. Doch die neu entstehenden Spaltprodukte müssen auch nach außen gelangen. Hierzu heizen die Forscherinnen und Forscher das Target auf bis zu 2400 Grad Celsius. Dadurch lösen sich die Isotope schnell aus dem Material heraus. Anschließend gelangen die Spaltprodukte, also die neuen Atome, zur Ionenquelle. Dort geben sie Elektronen ab, laden sich somit positiv auf. Damit haben die Forschenden ihr Ziel fast erreicht, denn geladene Teilchen zu beschleunigen, gelingt ihnen problemlos. Sie beschleunigen die geladenen Atome (Ionen) und bündeln sie zu einem sogenannten Ionenstrahl. Um sie nun zu charakterisieren und zu verwenden, trennen sie die schnell fliegenden Ionen mit Separatoren auf: Denn je nach Masse des Ions unterscheiden sich die Flugkurven. Jeder Strahl ist charakteristisch für ein bestimmtes Ion beziehungsweise Isotop. Auf diese Weise gelingt es den Forscherteams der Kernphysik, Ionenstrahlen in über tausend verschiedenen Variationen mit hoher Reinheit herzustellen.

Industrieroboter tauschen die Target-Einheiten von ISOLDE

Eine internationale Gemeinschaft an Ländern von Finnland bis Südafrika arbeiten derzeit zusammen, um ISOLDE zu betreiben und das System für neue Experimente weiterzuentwickeln. Damit entwickeln Forschende den Strahltransport zu den Experimenten weiter und arbeiten an neuen Target- und Ionenquellen. Neben der Beteiligung an den Betriebskosten fördert das BMBF über die Projektförderung ErUM-Pro die Entwicklung neuer Messinstrumente für ISOLDE durch deutsche Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen.

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. In den 1980ern konnten die Forscherteams mit ISOLTRAP, einem Ionenfallen-Massenspektrometer, über vierhundert Isotope, die nur wenige Millisekunden überleben, festhalten und wiegen.

Targets

Wie 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. Mit dem ISOL-Prinzip, kurz für „Isotope Separator On Line“, erzeugen Forschende mittlerweile an mehreren sogenannten ISOL-Einrichtungen weltweit radioaktive Isotope.

Eine der derzeitigen Herausforderungen 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 extrem schnell sein: Je schneller ein Ion, desto tiefer dringt es in das Target ein. Um die radioaktiven Ionenstrahlen noch energiereicher und somit schneller zu machen, wurde 2001 der Nachbeschleuniger REX-ISOLDE, kurz für „Radioactive Beam Experiment“, installiert. REX-ISOLDE kann die Energie der Ionenstrahlen auf maximal 3,1 Megaelektronenvolt, das Fünfzigfache der vorherigen Energie, erhöhen.

Seit 2018 steht an ISOLDE ein neuer Nachbeschleuniger bereit: HIE-ISOLDE, kurz für „High Intensity and Energy“. Mit ihm ist es den Forschenden möglich, Ionen auf Energien von bis zu zehn Megaelektronenvolt zu beschleunigen. Nun soll seine Strahlqualität und –intensität noch verbessert werden. Mit dieser Erweiterung ebnet ISOLDE den Weg zu neuartigen und spannenden Möglichkeiten zur Erforschung der genauen Struktur von Atomkernen.