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TRIGA-TRAP

 

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Erzeugung und Ionisierung neutronenreicher Nuklide

Der Forschungsreaktor TRIGA Mainz

Der TRIGA (Training Research Isotope General Atomics) Forschungsreaktor der Universität Mainz kann in einem stationären Modus mit einer Maximalleistung von 100 kWtherm oder im gepulsten Modus mit einer Pulsdauer von 30 ms (Halbwertsbreite) bei einer Leistungsspitze von 250 MWtherm betrieben werden. Vier horizontale Strahlrohre erlauben den Zugang zum stärksten Neutronenfluss nahe des Reaktorkerns (1.8x1011 cm-2s-1) [1]. Dort wird ein Gas-Jet-System eingesetzt werden, für den kontinuierlichen Transport von Spaltprodukten, ausgehend von einem spaltbaren Target (U-235, Pu-239 oder Cf-249), das nahe des Reaktorkerns montiert ist, durch das biologische Schild hin zu einer auf einer HV-Plattform befindlichen Ionenquelle. Weitere Informationen finden Sie hier externer Link

Der Forschungsreaktor TRIGA Mainz
Abb. 1: Der Forschungsreaktor TRIGA Mainz am Institut für Kernchemie - für größere Version klicken

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Gas-Jet Transport der Spaltprodukte

Für den Transport der Spaltprodukte wird ein Aerosol bestehend aus Kohlenstoffpartikeln, die in einer elektrischen Entladung erzeugt werden, und Helium als Trägergas in die nahe des Reaktorkerns montierte Targetkammer geleitet. Da die in der Spaltung entstehenden Radionuklide kinetische Energien im Bereich von etwa 100 MeV haben, wird in der Targetkammer ein Gasdruck von etwa 2.7 bar eingestellt, um die Spaltprodukte effizient zu thermalisieren. Die abgebremsten Spaltprodukte heften sich an die Aerosolpartikel und werden durch eine Kapillare zu einem Skimmersystem transportiert [2], wo das Trägergas von einer Roots-Pumpe bis zu einem Druck von ca. 10-1 mbar abgepumpt wird. Die Aerosolpartikel bleiben im Zentrum des sich ausdehnenden Gas-Jets, passieren den Skimmer und erreichen die nachfolgende Ionenquelle.

C-Aerosol-Erzeugungskammer
Abb. 2: Der Blick in die C-Aerosol-Erzeugungskammer zeigt eine Bogenentladung zwischen zwei gegenüberliegenden Graphitstiften in einer He-Gas-Atmosphäre. - für größere Version klicken

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EZR-Ionenquelle

In der EZR-Quelle, die auf ein Potential von bis zu 30 kV gebracht werden kann, werden neutrale Teilchen durch Elektronenstöße ionisiert. Die 2.45-GHz EZR-Ionenquelle, die an TRIGA-TRAP installiert ist, wurde an der Universität Gießen entwickelt [3]. Es ist eine Permanentmagnet-Ionenquelle mit 18 FeNdB Magneten, die in axialer Richtung einen magnetischen Spiegel und im Zentrum der Quelle ein Sextupol-Feld erzeugen. Die Elektronen werden in der Resonanzzone am stärksten aufgeheizt, wo die Magnetfeldstärke 87.5 mT beträgt und die Mikrowelle bei 2.45 GHz in Resonanz mit der Zyklotronfrequenz der Elektronen ist. Die Mikrowelle wird durch konventionelle Rechteckhohlleiter und eine Wendelantenne in die Plasmakammer geleitet. Die Ionenquelle ist komplett auf einer HV-Plattform montiert, die Ionenenergie ist somit durch deren Potential festgelegt. Es kann eine Spannung von bis zu 30 kV angelegt werden. Es wurden erste Tests mit Argongas durchgeführt. Es wurde ein Plasma entzündet und die Absorption der Mikrowellenleistung in der Ionenquelle als Funktion des Gasdrucks beobachtet. Im günstigsten Fall beträgt der Bruchteil der reflektierten Leistung nur 5%. Eine Extraktionselektrode mit Pierce-Geometrie wird dazu verwendet, Ionen aus der Quelle abzuziehen und sie auf 10 keV zu beschleunigen, bevor sie die HV-Plattform verlassen und ihre Endenergie erreichen. Es wurde bereits ein auf 20 keV beschleunigter Ionenstrahl erfolgreich extrahiert und mittels Faraday-Cup nachgewiesen. Die Strahlungsdichte der EZR-Ionenquelle wird voraussichtlich im Bereich von 30 mm mrad liegen [4]. Deshalb muss der Ionenstrahl vor der Injektion in die Experimental-Beamlines gekühlt werden.

Die 2.45 GHz EZR-Ionenquelle
Abb. 3: Die 2.45 GHz EZR-Ionenquelle in einem Käfig auf einer HV-Plattform. - für größere Version klicken

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Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle

Die Ionenquelle besteht hauptsächlich aus einem integrierten Skimmer, einer Anode, einem Bornitrid-Isolator und einer Kathode. Die Kathode ist ein Hochtemperatur-Wolfram-Ionisationszylinder (2500 K), der indirekt durch Elektronenbeschuss von einem heißen Glühdraht aufgeheizt wird. Die Ionenquelle kann auch als Hohlkathoden-Ionenquelle betrieben werden, indem eine Bogenentladung zwischen Anode und Kathode ermöglicht wird. Eine derartige Ionenquelle wurde im HELIOS-Experiment am Mainzer TRIGA-Reaktor eingesetzt [5,6]. Der Gesamtwirkungsgrad befand sich für einige Spaltprodukte im Bereich von 1%.

Die Hauptbestandteile der HELIOS Ionenquelle
Abb. 4: Die Hauptbestandteile der HELIOS Ionenquelle von links nach rechts: Anode, BN-Isolator, Kathode. - für größere Version klicken

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Massenseparator

Der Massenseparator ist ein 90° Dipolmagnet mit einem Krümmungsradius von 0.5 m und einer Massenauflösung von ca. 500. Die PC-gesteuerte DANFYSIK-Stromversorgung liefert einen Strom von 250 A mit einer Stabilität von 10 ppm, woraus eine Magnetfeldstärke von 1.1 T resultiert. Ein durch einen Schrittmotor angetriebenes Schlitz-Paar-System ist nach dem Magneten montiert.

Der Dipolmagnet des Massenseparators wird positioniert
Abb. 5: Der Dipolmagnet des Massenseparators wird positioniert. - für größere Version klicken

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Kühler und Buncher

COLETTE (Cooler for Emittance Elimination) ist ein segmentierter Radio-Frequenz-Quadrupol, der zur Kühlung kontinuierlicher radioaktiver Strahlen für die Injektion in das MISTRAL-Spektrometer an CERN-ISOLDE [7] entwickelt wurde. Das Gerät wurde nach TRIGA-SPEC transferiert und es ist in die gemeinsame Beamline integriert. An unserem Experiment wird COLETTE den kontinuierlichen 30 keV Strahl in Bündel transformieren und das begrenzte Ionenensemble mittels Puffergas kühlen, um das Phasenraumvolumen zu verringern.

COLETTE Kühler und Buncher, installiert an MISTRAL/CERN
Abb. 6: COLETTE Kühler und Buncher, installiert an MISTRAL/CERN. Der komplette Aufbau wurde mittlerweile zum TRIGA Reaktor in Mainz transportiert. Der RFQ-Abschnitt zwischen den Isolatoren ist zu etwa 30 kV gefloated, entsprechend der Ionenenergie. - für größere Version klicken
Quadrupolelektrodenstruktur des Kühlers und Bunchers
Abb. 7: Quadrupolelektrodenstruktur des Kühlers und Bunchers. - für größere Version klicken

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Referenzen

[1]   K. Eberhardt, A. Kronenberg, Kerntechnik 65 (2000) 5.
[2]   M. Eibach et al., Nucl. Instrum. Meth. A 613 (2009) 226 externer Link
[3]   M. Liehr et al., Rev. Sci. Instrum. 63 (1992) 2541 externer Link
[4]   A. Zelenak et al., Rev. Sci. Instrum. 75 (2004) 1653 externer Link
[5]   A. K. Mazumdar et al., Nucl. Instrum. Meth. 186 (1981) 131 externer Link
[6]   M. Brügger et al., Nucl. Instrum. Meth. A 234 (1985) 218 externer Link
[7]   D. Lunney et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598 (2009) 379 externer Link