TRIGA-TRAP Projekt

Einleitung

TRIGA-Trap [1] ist ein Doppel-Penningfallen Massenspektrometer am TRIGA-Forschungsreaktor Mainz.

Abb. 1: Sicht von oben auf das TRIGA-Trap Setup. Die vom TRIGA-Reaktor (obere linke Ecke) erzeugten Spaltprodukte werden in der Oberflächen-Ionenquelle ionisiert, die sich im Hochspannungskäfig unterhalb der Plattform (obere rechte Ecke) befindet. Die Experimente werden im Penningfallen-Massenspektrometer TRIGA-TRAP (untere rechte Ecke) durchgeführt.

Das System bietet sowohl die allgemein verwendeten Flugzeit- und Phase-Imaging-Ionenzyklotronresonanz-Methoden als auch die schmalbandige FT-ICR-Technik, wie hier beschrieben. Innerhalb des TRIGA-TRAP Projekts haben wir erstmals eine Penningfalle an einem Kernreaktor installiert, um Zugriff auf neutronenreiche Spaltprodukte zu haben. Darüber hinaus stehen Proben von schweren Elementen oberhalb von Uran für off-line Messungen zur Verfügung. Die Massen dieser Nuklide sind von großer Bedeutung, u.a. für zuverlässige Nukleosynthese-Berechnungen in der nuklearen Astrophysik und zur Untersuchung der Kernstruktur.

Momentan erfolgt die Inbetriebnahme einer Hochtemperatur-Oberflächen-Ionenquelle, die in Verbindung mit einem Gas-Jet Transportsystem den Zugang zu bestimmten Spaltprodukten ermöglichen wird [2]. Hierzu wurde eine 30 kV-Hochspannungsplattform installiert. Die Massenseparation nach der Ionenquelle erfolgt mittels eines 90°-Dipolmagneten mit einer Auflösung von ca. 300. Der Kühler und Buncher COLETTE [3], der vom CERN nach TRIGA-Trap transferiert wurde, dient dazu, gekühlte Ionenpulse für die angeschlossenen Experimente zu liefern [4].

TRIGA-Trap ist eine der Entwicklungsplattformen für das Zukunftsexperiment MATS  innerhalb NUSTAR  an FAIR. Wir entwickeln und testen Geräte und experimentelle Prozeduren für MATS.

Die Forschungsarbeiten im Rahmen des TRIGA-TRAP Projekts stehen in enger Verbindung mit der Zielsetzung des Extreme Matter Institutes (EMMI)  an der GSI/Darmstadt . Das Institut wurde von der im November 2007 geschlossenen Helmholtz Allianz "Extremes of Density and Temperature: Cosmic Matter in the Laboratory" errichtet. Diese Allianz verbindet die GSI mit 7 nationalen Partnern (darunter das Max-Planck-Institut für Kernphysik) sowie 4 internationalen Partnern. Mit EMMI soll eine in Europa einmalige Struktur zur interdisziplinären Erforschung von Materie unter extremen Bedingungen entstehen.

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Einsatzmöglichkeiten für Massenmessungen mit TRIGA-TRAP

Die chemische Zusammensetzung unseres Universums birgt viele Überraschungen: warum kommt Eisen so viel häufiger vor als schwerere Elemente wie z.B. Gold? Warum gibt es überhaupt schwere Elemente und wie sind sie entstanden? Die Eigenschaften von Atomkernen, besonders ihre Massen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Beantwortung dieser grundlegenden Fragen an der Verbindungsstelle von Kern- und Astrophysik. TRIGA-TRAP ermöglicht Massenmessungen an neutronenreichen Kernen, die sich in der am wenigsten erforschten Region der Nuklidkarte (siehe Abb. unten) befinden und für den Einfang schneller Neutronen (r-Prozess) wichtig sind. Außerdem können schwere Nuklide oberhalb von Uran off-line untersucht werden. Der hochpräzise Massenwert liefert die gesamte Kernbindungsenergie der Kerne, die für Kernstrukturuntersuchungen bedeutsam ist, da die Bindungsenergie das Ergebnis der im Kern vorhandenen Kräfte ist.

Abb. 2: Spaltungs-Produktionsraten bei Verwendung eines 300μg Cf-249 Targets und einem Neutronenfluss von 1.8 x 10¹¹ n/(cm² s) im stationären Betrieb von TRIGA [1]. Die blaue Linie markiert die Grenze der experimentellen Massenunsicherheit (delta m) größer als 10keV. Die rote Linie zeigt den erwarteten Pfad des r-Prozesses [5].

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Referenzen

[1]	J. Ketelaer et al., Nucl. Instrum. Meth. A 594, 162-177 (2008)
[2]	J. Grund et al., Nucl. Instrum. Meth. A 972, 164013 (2020)
[3]	D. Lunney et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598, 379-387 (2009)
[4]	T. Beyer et al., Appl. Phys. B 114, 129-136 (2014)
[5]	J. J. Cowan et al., Phys. Today 57, 47 (2004)