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 kW_therm oder im gepulsten Modus mit einer Pulsdauer von 30 ms (Halbwertsbreite) bei einer Leistungsspitze von 250 MW_therm 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, 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.

Abb. 1: Der Forschungsreaktor TRIGA Mainz am Institut für Kernchemie

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Gas-Jet Transport der Spaltprodukte

TRIGA-Trap verwendet ein mit einem Aerosol gefülltes Gas-Jet System für den Transport der Spaltprodukte, siehe Abb. 2. Die Spaltprodukte werden in einer aerodynamischen Linse kollimiert, in einer Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle ionisiert, beschleunigt, mit einem 90 deg. Dipolmagneten massensepariert, in einer gasgefüllten Radiofrequenz Quadrupolstruktur gekühlt und gebuncht, in einer gepulsten Driftröhre abgebremst und zum Penningfallen-Massenspektrometer transportiert [2].

Abb. 2: Detaillierte Skizze der verschiedenen Stufen von TRIGA-Trap. Abschnitt A: aerosol-basiertes Gas-Jet-System für den Transport der Spaltprodukte. Abschnitt B: Kollimation der Spaltprodukte in einer aerodynamischen Linse, Ionisation und anschließende Beschleunigung. Abschnitt C: Massenseparierung durch einen 90° Dipolmagneten, Kühlung und Bunching der Ionen durch einen RFQ mit anschließender Abbremsung [2].

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Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle

Zurzeit ist eine Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle [2] verfügbar, die in Verbindung mit einem Gas-Jet-Transportsystem Zugriff auf bestimmte Spaltprodukte ermöglicht. Hierzu wurde eine 30 kV HV-Plattform installiert. Die Kathode ist ein zylindrischer Tantal-Ionisator, der indirekt durch Elektronenbeschuss aus zwei heißen Filamenten aufgeheizt wird.

Der Ionisator kann in kurzer Zeit auf jede Temperatur bis zu 2500 °C aufgeheizt werden. Die gewählte Temperatur kann mit lediglich geringen Fluktuationen im Bereich von 4 °C in 24 h konstant gehalten werden. Die Komponenten der Ionenquelle sind langzeitstabil, sodass sie ohne Wartung für zwei oder mehr Wochen betrieben werden kann.

Abb. 3: 3D-Modell der an Triga-Trap eingesetzten Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle [2]. Sie wurde am MPIK hergestellt, basierend auf einem Design einer gleichartigen Quelle, die an der JAEA-ISOL Anlage betrieben wird.

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Massenseparator

Der Massenseparator ist ein 90 deg. Dipolmagnet mit einem Krümmungsradius von 0.5 m und einer Massenauflösung von etwa 300. Die computergesteuerte DANFYSIK Stromversorgung liefert 250 A mit einer Stabilität von 10 ppm, wodurch sich eine B-Feldstärke von 1.1 T ergibt. Hinter dem Magneten befindet sich ein mittels Schrittmotor angetriebenes Split-Pair System.

Abb. 4: Der Dipolmagnet des Massenseparators wird positioniert.

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Kühler und Buncher

COLETTE (Cooler for Emittance Elimination) ist ein segmentierter Radiofrequenz-Quadrupol, der für die Kühlung kontinuierlicher radioaktiver Strahlen für die Injektion in das MISTRAL-Spektrometer an CERN-ISOLDE entworfen wurde [4]. Das Gerät ist zu TRIGA-Trap transferiert worden und ist in die Strahllinie integriert [5]. COLETTE transformiert den kontinuierlichen 30 keV Strahl in Bündel und kühlt das eingeschlossene Ionen-Ensemble durch Puffergas, um das Phasenraumvolumen zu verkleinern.

Abb. 5: COLETTE Kühler und Buncher. Die komplette Einheit wurde an TRIGA-Trap in Mainz aufgebaut. Der RFQ-Teil zwischen den grauen Isolatoren wird entsprechend der Ionenenergie bei etwa 30 kV betrieben.

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Referenzen

[1]	K. Eberhardt, A. Kronenberg, Kerntechnik 65, 5 (2000).
[2]	J. Grund et al., Nuclear Instrum. Meth. A 972, 164013 (2020)
[3]	M. Liehr et al., Rev. Sci. Instrum. 63, 2541 (1992)
[4]	D. Lunney et al., Nucl. Instrum. Meth. A 598, 379 (2009)
[5]	T. Beyer et al., Appl. Phys. B 114, 129-136 (2014)