En liten flaska med grått pulver producerad vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory är ryggraden i ett nytt experiment för att studera de intensiva magnetfält som skapas vid kärnkraftskollisioner.

Det nya experimentet vid Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider, precis avslutat, krossade kärnor av rutenium-96 för att bättre förstå en form av materia som finns i början av universum - och därigenom föra förståelsen av grundläggande kärnfysik.

Experimentet krävde 500 milligram av den sällsynta isotopen, rutenium-96, som inte fanns någonstans i världen. ORNL-produktionen krävde fyra månaders produktion dygnet runt efter år av forskning och utveckling för att kunna producera materialet. Rutheniummetall i sig är ett av de mest sällsynta grundämnena på jorden och den speciella isotopen som krävs av Brookhaven utgör mindre än fem procent av naturligt förekommande förråd. För att fysikexperimentet ska lyckas, andelen rutenium-96 i testprovet måste ökas till mer än 92 procent, få forskare att använda nyutvecklade anrikningsmetoder.

"Kampanjen representerar den första varaktiga produktionen av anrikat rutenium i USA sedan 1983, sa David Dean, Biträdande laboratoriechef för ORNL:s direktorat för fysikaliska vetenskaper. "Vad vi vet hade världsförsörjningen av Ru-96 tömts före denna kampanj."

USA:s lager av stabila isotoper har krympt sedan kalutronerna från Manhattan Project-eran som ligger vid Y-12 National Security Complex slutade fungera 1998, och inventeringen för vissa isotoper är helt uttömd. DOE-isotopprogrammet, förvaltas av Office of Nuclear Physics inom DOE:s Office of Science, finansierat ORNL för att återupprätta inhemsk kapacitet för stabil isotopanrikning. Stabila isotoper används inom medicinska, industriella och nationella säkerhetstillämpningar.

"Det finns anrikade stabila isotoper en bristvara eller helt enkelt otillgängliga, och vi vill inte vara beroende av andra länder för att producera dem, " sa Alan Tatum, ORNL:s produktionschef för stabila isotoper. I detta fall, inget annat produktionsalternativ var tillgängligt någonstans i världen.

En av de teknologier som ORNL utvecklat är en elektromagnetisk isotopseparator, eller EMIS, belägen i labbets Anriched Stable Isotope Prototype Plant, som startade sin verksamhet förra året. EMIS-systemet fungerar genom att förånga ett element som rutenium till gasfasen, omvandla molekylerna till en jonstråle, och sedan kanalisera strålen genom magneter för att separera de olika isotoperna.

"När du transporterar en laddad partikelstråle genom en magnet, den böjer strålen med en annan radie beroende på massan, " sa Tatum. "Varje isotop har olika massa och kommer därför att samlas i en annan ficka."

När isotoperna väl har deponerats i fickorna, de skrapas ut och bearbetas kemiskt för att säkerställa att materialets renhet uppfyller de nödvändiga specifikationerna. För att hålla Brookhavens deadline, ORNL personal gick in i ett 24/7 produktionsläge, genomför denna mödosamma process i nonstop-skift under fyra månader.

EMIS-systemet är teoretiskt kapabelt att hantera nästan alla element i det periodiska systemet, men ruteniums unika kemiska egenskaper gör det till ett av de svåraste materialen att manipulera. Jämfört med andra ädelmetaller, till exempel, rutenium har en extremt hög smält- och kokpunkt.

"Det är därför vi är här. Om det är lätt, andra människor gör det. Om det är svårt, vi gör det, sa Kevin Hart, framstående vetenskapsman och ORNL Isotope Program Manager.

Brian Egle, EMIS huvudingenjör, noterar att processens till synes enkelhet motsäger dess utmaningar.

"Processen är väldigt enkel:Laddade partiklar som rör sig genom ett magnetfält kommer att separeras - det är ungefär så grundläggande som det blir, " sa han. "Djävulen ligger i detaljerna. Mycket forskning gick på att få allt exakt rätt. Att få råvaran förångad, joniserad, accelererad, och alla högspännings- och vakuumsystem ska fungera, alla på samma gång, är väldigt svårt."

Teamet undersöker nu sätt att öka strålens intensitet och bibehålla konsekventa strålströmmar, vilket kommer att öka EMIS-systemets effektivitet och övergripande tillförlitlighet. Deras fördel, säger Tatum, ligger i ORNL:s decennier av erfarenhet inom isotopområdet, samt expertis inom fysik, kemi och vetenskaplig anläggningsförvaltning.

"ORNL har en lång historia inom isotopproduktion och forskning och utveckling, " sa Tatum. "Laboratoriet har en stark tradition av att producera isotoper för DOE:s isotopprogram för att möta landets isotopbehov."