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

Das System bietet sowohl die allgemein verwendeten Flugzeit- und Phase-Imaging-Ionenzyklotronresonanz-Methoden als auch die schmalbandige FT-ICR-Technik. 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.

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.

Referenzen

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.

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.

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.

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.

Die MiniRFQ Laserablationsionenquelle

Da sich das Experiment innerhalb des kontrollierten Bereiches des TRIGA-Forschungsreaktors Mainz befindet, können radioaktive Proben ausreichend langlebiger Nuklide und schwerer Elemente über Uran off-line gemessen werden.

Für die off-line Ionenerzeugung haben wir an TRIGA-Trap eine neuartige Laserablationsionenquelle entwickelt, bei sich der das Laserablationstarget [1] in einem gasgefüllten Miniatur Radiofrequenz-Quadrupol (MiniRFQ) [2] befindet.

Der Laserablationsprozess wird durch einen gepulsten, frequenzverdoppelten Nd:YAG Laser getrieben, der Pulse mit einer Länge von 5 ns und Energien von bis zu 12 mJ bei einer Wellenlänge von 532 nm und einer Wiederholungsrate von 15 Hz liefern kann.

Abb. 1 zeigt das TRIGA-Trap Massenspektrometer. Nach Ionisation der interessierenden Nuklide in der Hochtemperatur-Oberflächenionenquelle, Massenseparation im Dipolmagneten sowie Kühlung und Akkumulation im RFQ-Buncher und Abbremsung in einer gepulsten Driftröhre, werden die Ionen zuerst in einer zylindrischen Penningfalle gespeichert, um sie mittels Helium Puffergas massenselektiv zu kühlen und damit die Bewegungsamplituden zu reduzieren und die Strahlreinheit zu erhöhen. Anschließend werden die interessierenden Ionen zu einer Hochpräzisions-Penningfalle transferiert, um dort die Massenmessung durchzuführen. Diese beruht auf der Bestimmung der Zyklotronfrequenz des Ions mit dem Ladung-zu-Masse-Verhältnis q/m, das im Magnetfeld der Stärke B = 7 T gespeichert ist [1].

Der DLD40 MCP-Detektor ermöglicht den Einsatz der sog. Phase-Imaging Ionen-Zyklotron-Resonanz Technik.

Für die FT-ICR Methode kann ein SL-Quartz Kristall zwischen die Fallenelektroden und den elektronischen Verstärker parallel angeschlossen werden, um die Empfindlichkeit der Messung von ν₊ und seiner Frequenzmodulation zu verbessern [2].

Das komplette System wird durch das auf LabView basierende CS  (Control System) gesteuert, das von der GSI Darmstadt und dem CS Developer Team gewartet wird. Dieses System wird auch bei zahlreichen anderen Penningfallen-Anlagen eingesetzt, unter denen reger Wissensaustausch besteht.