A high-voltage MR-ToF mass spectrometer and separator for the study of exotic isotopes at FRIB

In het hart van het universum ligt een uitgestrekt, onzichtbaar landschap van atoomkernen, de minuscule kernen die materie haar identiteit geven. Sommige van deze kernen zijn stabiel en bekend, en vormen de wereld om ons heen, terwijl andere exotisch, vluchtig en slechts geboren zijn tijdens de meest gewelddadige kosmische gebeurtenissen zijn. Wetenschappers proberen dit terrein al lang in kaart te brengen door het precieze gewicht van deze kernen te meten om te begrijpen hoe sterren elementen smeden en hoe het universum evolueerde. Echter, veel van deze exotische vormen zijn zo onstabiel dat ze binnen een fractie van een seconde verdwijnen, wat ze extreem moeilijk te bestuderen maakt. Om hen te vangen, hebben onderzoekers instrumenten nodig die niet alleen deze vluchtige deeltjes met extreme precisie kunnen wegen, maar hen ook kunnen scheiden van een chaotische mix van andere atomen die tegelijkertijd arriveren. De uitdaging is vergelijkbaar met het proberen te identificeren van een specifiek zandkorreltje in een kolkende rivier terwijl het water met hoge snelheid stroomt.

Om deze uitdaging aan te gaan, ontwerpt een team van onderzoekers bij de Facility for Rare Isotope Beams in Michigan een nieuw instrument genaamd een Multi-Reflection Time-of-Flight massaspectrometer. Dit apparaat is gebouwd om te fungeren als een hoog selectief filter en een superprecieze weegschaal voor de zeldzaamste atomen die bestaan. Het kernidee is eenvoudig maar krachtig: door ionen, wat geladen atomen zijn, vele malen heen en weer te laten stuiteren tussen twee spiegels, zorgt de machine ervoor dat ze kunnen worden gescheiden op basis van hun gewicht. Zwaardere ionen doen er iets langer over om een rit te voltooien dan lichtere ionen. Over duizenden botsingen tellen deze kleine verschillen zich op, waardoor de ionen uit elkaar worden gespreid zodat wetenschappers hen van elkaar kunnen onderscheiden. Het nieuwe ontwerp drijft dit concept verder door deze ionen op een veel hoger energieniveau te bewaren dan ooit tevoren, waardoor de machine een veel groter aantal deeltjes kan verwerken zonder haar scherpte te verliezen.

De faciliteit waar dit instrument zal verblijven, bekend als FRIB, produceert een grote verscheidenheid aan deze zeldzame isotopen door zware atomen tegen een doelwit te laten botsen. De resulterende spray van deeltjes wordt vervolgens vertraagd en gestopt, waardoor een straal ontstaat die bestudeerd kan worden. Deze straal is echter zelden puur; deze is vaak vervuild met andere atomen die er zeer vergelijkbaar uitzien of chemisch identiek zijn maar een ander gewicht hebben. In het verleden moesten wetenschappers vertrouwen op oudere methoden die slechts een klein aantal deeltjes konden verwerken of een gebrek aan precisie hadden om zeer vergelijkbare gewichten te onderscheiden. De nieuwe machine beoogt dit te veranderen door ionen op te slaan bij een kinetische energie van 30 kiloelektronenvolt, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de gebruikelijke 2 kiloelektronenvolt die bij soortgelijke apparaten wordt gebruikt. Deze hogere energie zorgt ervoor dat het systeem ionen veel sneller en met een grotere tolerantie voor variaties in hun snelheid kan verwerken, wat leidt tot een dramatische toename van het aantal deeltjes dat in een enkel experiment kan worden bestudeerd.

De onderzoekers hebben gedetailleerde computersimulaties gebruikt om te testen hoe dit hoogenergetische ontwerp zou presteren. Deze simulaties laten zien dat het nieuwe apparaat ionen kan scheiden met een precisie die het mogelijk maakt om onderscheid te maken tussen twee soorten atomen die in massa verschillen door slechts één op honderdduizend. Dit niveau van helderheid is cruciaal voor het identificeren van specifieke isotopen die nog nooit eerder zijn gezien. Bovendien suggereren de simulaties dat de machine tot wel 100.000 ionen per seconde kan verwerken terwijl deze hoge precisie behouden blijft. Dit is een enorme verbetering ten opzichte van de huidige technologie, die moeite heeft om meer dan een paar duizend ionen per seconde te scheiden zonder dat de signalen wazig worden. Het vermogen om dergelijke hoge snelheden aan te kunnen betekent dat wetenschappers isotopen kunnen bestuderen die in zeer kleine hoeveelheden worden geproduceerd, wat de deur opent naar ontdekkingen die voorheen onmogelijk waren.

Een belangrijk kenmerk van het ontwerp is het vermogen om de straal te reinigen voordat deze de experimenten bereikt. De machine gebruikt een gespecialiseerde poort, een apparaat gemaakt van dunne draden dat in een fractie van een microseconde aan- of uitgezet kan worden, om ongewenste deeltjes te blokkeren. Wanneer de gewenste ionen passeren, staat de poort open, maar wanneer de ongewenste contaminanten arriveren, sluit de poort of buigt deze hen af. Dit zorgt ervoor dat alleen de puurste straal de stroomafwaartse stations bereikt waar andere experimenten op wachten. Het team heeft ook verschillende manieren onderzocht om deze contaminanten te verwijderen, waaronder het gebruik van elektrische velden om ze opzij te duwen of ze opnieuw op te slaan in een aparte kamer. Ze kwamen tot de conclusie dat de draadpoort, gecombineerd met de hoge energie van de straal, de beste balans biedt tussen snelheid en zuiverheid, in staat om contaminanten te verwijderen die qua gewicht zeer dicht bij de doelionen liggen.

De simulaties onthulden ook dat de machine kan worden afgestemd om op verschillende energieniveaus te werken, zoals 15 of 3 kiloelektronenvolt, indien nodig voor specifieke experimenten. Zelf eens op deze lagere energieën zou het apparaat bestaande laagenergetische machines nog steeds overtreffen, hoewel de hoogste prestatie wordt bereikt bij de volledige 30 kiloelektronenvolt. Deze flexibiliteit stelt de faciliteit in staat om zich aan te passen aan de behoeften van verschillende onderzoeksprogramma's. Het ontwerp bevat een koelsysteem dat de ionen verzamelt in compacte bundels voordat ze de hoofdopslagruimte binnengaan, om er zeker van te zijn dat ze klaar zijn voor de precieze metingen. Deze voorbereidingsstap is cruciaal, aangezien het de spreiding in de aankomsttijden van de ionen minimaliseert, wat essentieel is voor het bereiken van de hoge resolutie die vereist is om de meest vergelijkbare isotopen te scheiden.

De impact van dit nieuwe instrument strekt zich uit voorbij het wegen van atomen. Door stralen te leveren die vrij zijn van ongewenste contaminanten, maakt het een breed scala aan andere studies mogelijk, zoals het observeren van hoe deze zeldzame isotopen vervallen of hoe ze interageren met andere deeltjes. Dit is bijzonder belangrijk voor het begrijpen van de processen die plaatsvinden in neutronensterren en supernova's, waar deze exotische elementen worden gecreëerd. De machine zal ook dienen als een diagnostisch instrument, waardoor wetenschappers snel kunnen controleren wat er in hun straal zit en hun experimenten dienovereenkomstig kunnen aanpassen. Deze capaciteit bespaart waardevolle tijd en zorgt ervoor dat de faciliteit altijd optimaal functioneert.

De onderzoekers zijn er vertrouwd mee dat hun ontwerp zal presteren zoals voorspeld, gebaseerd op de robuuste aard van hun simulaties en het succes van vergelijkbare, zij het minder krachtige, apparaten bij andere laboratoria wereldwijd. Ze hebben rekening gehouden met potentiële problemen, zoals elektrische fluctuaties en de afstoting tussen ionen, en hebben vastgesteld dat het hoogenergetische ontwerp robuust genoeg is om deze uitdagingen aan te kunnen. Hoewel de machine nog niet is gebouwd en getest met echte ionen, bieden de simulaties een sterke basis voor de constructie ervan. Het team is van plan het apparaat te bouwen, te testen met standaard ionenbronnen en het uiteindelijk te integreren in de hoofdstraallijn van de faciliteit. Eenmaal operationeel zal het een hoeksteen worden van de capaciteiten van de faciliteit, waardoor een nieuwe generatie experimenten mogelijk wordt die de diepste geheimen van de atoomkern verkennen.

Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar het begrijpen van de bouwstenen van de materie. Door hoge energie te combineren met precieze timing en slimme techniek, belooft de nieuwe massaspectrometer de studie van isotopen te ontsluiten die tot nu toe verborgen zijn gebleven. Het zal wetenschappers in staat stellen de randen van het nucleaire landschap in kaart te brengen met een helderheid die voorheen onbereikbaar was, en gegevens te leveren die onze theorieën over hoe het universum werkt zullen verfijnen. De reis van een chaotische spray van deeltjes naar een pure, goed gedefinieerde straal van een enkele isotoop is een bewijs van de vindingrijkheid van de onderzoekers, die een complexe fysieke uitdaging hebben omgezet in een praktisch hulpmiddel voor ontdekking. Terwijl de faciliteit blijft groeien, zal dit instrument fungeren als een brug tussen de ruwe kracht van de versneller en de delicate precisie die vereist is om de grenzen van de wetenschap te verkennen.