Les royaumes extérieurs du tableau périodique, où stable, les isotopes à vie longue cèdent la place aux ions radioactifs, offrir aux scientifiques nucléaires un aperçu unique de la structure des noyaux et une meilleure compréhension de la façon dont les différents éléments de notre univers sont apparus à la suite de la fusion stellaire ou des explosions de supernova.

Produire et accélérer des faisceaux d'isotopes radioactifs pour des expériences de physique, les scientifiques se tournent vers des installations comme le système d'accélérateur linéaire tandem Argonne (ATLAS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) située au laboratoire national d'Argonne pour l'étude de la physique nucléaire. Depuis la première accélération réussie d'un faisceau d'ions par l'installation prototype ATLAS en 1978, ATLAS a continué à introduire des composants qui ajoutent des sélections de faisceaux uniques et améliorent considérablement la qualité du faisceau, y compris les ajouts récents du système d'ions à faisceau d'électrons (EBIS) et du séparateur d'ions radioactifs en vol Argonne (RAISOR).

ATLAS a commencé sa vie principalement comme une installation de faisceau stable, mais au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont mis au point des techniques pour développer des faisceaux d'ions radioactifs. En 2009, Argonne a ajouté à ATLAS un système appelé CARIBU, pour la mise à niveau de l'éleveur d'ions rares Californium, capable de générer des faisceaux d'isotopes rares.

La préparation des faisceaux du CARIBU pour l'accélération dans ATLAS nécessite un préconditionnement particulier, a déclaré le physicien d'Argonne Clay Dickerson. Le CARIBU agit en ralentissant les produits de désintégration d'une source de californium-252 radioactif dans l'hélium gazeux.

« C'est comme essayer de courir dans une piscine à balles ; les fragments perdent une partie de leur énergie, " Dickerson a dit. " Avec une manipulation intelligente, nous pouvons utiliser des aimants pour sélectionner des ions avec les masses spécifiques que nous voulons." Le système CARIBU peut séparer différents isotopes tant que leurs masses diffèrent d'une partie sur 15, 000.

Une fois que les chercheurs en physique nucléaire ont sélectionné un faisceau d'isotopes particulier, il doit éventuellement être accéléré dans ATLAS. Pour y parvenir, Dickerson et ses collègues ont équipé ATLAS du nouvel EBIS, ce qui permet au faisceau de s'adapter aux structures accélératrices en augmentant la charge positive du faisceau d'ions.

L'EBIS le fait en tirant un faisceau d'électrons de haute énergie sur les ions, dont chacun a environ 40 à 50 électrons. Lorsque le faisceau d'électrons EBIS enlève les électrons entourant les ions radioactifs, l'état de charge des ions devient de plus en plus positif, leur permettant d'être efficacement accélérés.

Alors qu'EBIS est bon pour préparer des faisceaux d'isotopes relativement lourds, ceux contenant des dizaines de protons, l'installation RAISOR donne aux scientifiques un moyen d'examiner ces isotopes plus légers vers le haut du tableau périodique. Pour générer ces faisceaux radioactifs, les chercheurs doivent d'abord commencer avec un faisceau stable, puis le heurter avec une cible. Une fois qu'ils ont généré le faisceau d'intérêt, les physiciens nucléaires d'ATLAS peuvent réaliser d'autres expériences avec lui en aval.

« Cette méthode, qui produit des faisceaux radioactifs « en vol », est pratique et polyvalente, et permet mieux d'explorer une partie significative de la quasi-stabilité, isotopes de faible masse, " a déclaré Dickerson.

Bien que RAISOR ne soit pas le premier système de production de faisceaux en vol d'ATLAS, il répond à un certain nombre de défis rencontrés avec le système précédent, qui était principalement une machine prototype utilisée pour offrir une preuve de principe. Par exemple, RAISOR a une décharge de faisceau dédiée qui peut être utilisée pour absorber le faisceau utilisé pour créer les faisceaux radioactifs, donnant aux scientifiques un moyen beaucoup plus facile de contrôler la puissance du faisceau. « RAISOR repousse vraiment nos limites précédentes afin que nous puissions passer à une intensité plus élevée et produire plus de faisceaux, " a déclaré Dickerson.

Les récentes améliorations d'ATLAS avec EBIS et RAISOR à ATLAS aideront les scientifiques à sonder les structures d'éléments exotiques, étudier la nature des forces nucléaires, et mieux comprendre la production d'éléments dans les étoiles et les supernovae.