Strahlrohr und Plattform mit Wissenschaftlern

Guillaume, Jeanneret

Versuchsaufbau, in der Mitte eine silberfarbene Kugel, die von mehreren Apparaturen festgehalten wird

Maximilien Brice

Weißer, durch einen Plastikvorhang fotografierter Raum, in dem ein Wissenschaftler im Schutzanzug auf eine Leiter steigt

Maximilien Brice

Wissenschaftler mit Schutzbrille beugt sich in einen Kasten, in dem mehrere Apparaturen festgeschraubt sind; es leuchten grüne und rote Lichter im abgedunkelten Raum

CERN/CGonzalez

ISOLDE – Einzigartige Quelle für radioaktive Isotope

Atome kommen in verschiedenen Varianten, sogenannten Isotopen, vor – einige sind nur künstlich herstellbar, geben aber trotzdem Hinweise auf kernphysikalische Prozesse. Mit ISOLDE erzeugen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am CERN eine immense Vielfalt solcher Isotope und stellen sie für weitere Experimente zur Verfügung.

  • Ort:
    Genf (Schweiz)

  • Baukosten:
    870 000 Schweizer Franken pro Jahr

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    450

  • Beteiligte Länder:
    Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Italien, Norwegen, Polen, Rumänien, Slowakei, Südafrika, Spanien, Schweden, Vereinigtes Königreich

  • Ziel:
    (radioaktive) Isotope erzeugen, erforschen und Atomkerne untersuchen

  • Anwendungsbeispiel:
    Untersuchung von Proteinen

  • Gerätetyp:
    Ionenquelle

  • Messmethode:
    Isotope und deren Zerfallsprodukte detektieren

  • Untersuchungsobjekt:
    Isotope und radioaktive Atomkerne

  • Bauphase:
    1964 bis 1967

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Europäische Organisation für Kernforschung (CERN)

  • Experimentdetails:
    Strahlungsenergie: 1,4 Gigaelektronenvolt

Welche Erkenntnisse ISOLDE liefert

Strahlrohr ISOLDE

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 was Proteine tun.

Wie ISOLDE funktioniert

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?

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

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 2500 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.

Wer an ISOLDE beteiligt ist

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

Insgesamt 17 Länder von Finnland bis Südafrika arbeiten derzeit zusammen, um ISOLDE zu betreiben. Sie investieren jährlich fast eine Million Schweizer Franken in die Weiterentwicklung des Systems für neue Experimente. Damit entwickeln Forschende den Strahltransport zu den Experimenten weiter und arbeiten an neuen Target- und Ionenquellen. Auch das Bundesforschungsministerium fördert die Forschung an ISOLDE. Mit einem Budget von insgesamt 2,5 Millionen Euro von 2013 bis 2019 haben Forschende deutscher Hochschulen unter anderem neue Messinstrumente für ISOLDE entwickelt. Sie sind Teil des aktuell etwa 450-köpfigen Teams an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die sich an den über fünfzig Experimenten engagieren. Etwa ein Viertel der wissenschaftlichen Publikationen stammen von Erstautorinnen und Erstautoren, die an deutschen Instituten und Universitäten forschen.

Was gerade an ISOLDE passiert

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.

Gestell, an dem mehrere runde Platten angebracht sind, mehrere Rohrleitungen laufen darauf zu

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.

Derzeit befindet sich an ISOLDE ein neuer Nachbeschleuniger in der finalen Phase der Installation. HIE-ISOLDE, kurz für „High Intensity and Energy“, heißt der Hoffnungsträger. Mit ihm wird es den Forschenden möglich sein, Ionen auf Energien von bis zu zehn Megaelektronenvolt zu beschleunigen. Er ebnet so den Weg zu neuartigen und spannenden Möglichkeiten zur Erforschung der genauen Struktur von Atomkernen.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/isolde/