De yttre områdena i det periodiska systemet, där stabilt, långlivade isotoper viker för radioaktiva joner, ge kärnforskare en unik inblick i kärnornas struktur och en bättre förståelse för hur de olika elementen i vårt universum kom till som ett resultat av stjärnfusion eller supernovaexplosioner.

För att producera och accelerera strålar av radioaktiva isotoper för fysiska experiment, forskare vänder sig till anläggningar som Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility beläget vid Argonne National Laboratory för studier av kärnfysik. Sedan den första framgångsrika accelerationen av en jonstråle av prototypen ATLAS -anläggningen 1978, ATLAS har fortsatt att introducera komponenter som lägger till unika strålval och dramatiskt förbättrar strålkvaliteten, inklusive de senaste tilläggen av Electron Beam Ion System (EBIS) och Argonne In-Flight Radioactive Ion Separator (RAISOR).

ATLAS började sitt liv främst som en stabil balkanläggning, men under de senaste två decennierna har forskare utvecklat tekniker för att utveckla radioaktiva jonstrålar. År 2009, Argonne lade till ATLAS ett system som heter CARIBU, för uppgradering av sällsynta jonförädlare i Californium, som kan generera strålar av sällsynta isotoper.

Att få CARIBU:s balkar redo för acceleration i ATLAS kräver särskild förkonditionering, sa Argonne -fysikern Clay Dickerson. CARIBU fungerar genom att bromsa nedbrytningsprodukter från en källa till radioaktivt californium-252 i heliumgas.

"Det är som att försöka springa genom en bollgrop; fragmenten tappar en del av sin energi, "Dickerson sa." Med en smart manipulation, vi kan använda magneter för att välja joner med de specifika massorna som vi vill ha. "CARIBU -systemet kan separera olika isotoper så länge deras massor skiljer sig åt med en del av 15, 000.

När kärnfysikforskare välj en viss isotopstråle, det måste så småningom påskyndas i ATLAS. För att åstadkomma detta, Dickerson och hans kollegor utrustade ATLAS med det nya EBIS, vilket gör att strålen matchar de accelererande strukturerna genom att öka jonstrålens positiva laddning.

EBIS gör detta genom att skjuta en elektron med hög energi på jonerna, som alla har ungefär 40 till 50 elektroner. När EBIS -elektronstrålen avlägsnar elektronerna som omger de radioaktiva jonerna, jonernas laddningstillstånd blir alltmer positivt, så att de kan accelereras effektivt.

Även om EBIS är bra på att förbereda strålar av relativt tunga isotoper - de med dussintals protoner - ger RAISOR -anläggningen forskare ett sätt att undersöka de lättare isotoperna mot toppen av det periodiska systemet. För att generera dessa radioaktiva strålar, forskare måste först börja med en stabil stråle och sedan kollidera den med ett mål. När de väl har skapat en stråle av intresse, kärnfysiker vid ATLAS kan utföra ytterligare experiment med det nedströms.

"Denna metod-som producerar radioaktiva strålar" under flygning "-är bekväm och mångsidig, och möjliggör bättre utforskning av en betydande del av den närmast stabila, lågmassa isotoper, "Sa Dickerson.

Även om RAISOR inte är ATLAS första strålproduktionssystem under flygning, det tar upp ett antal utmaningar som upplevts med det tidigare systemet, som främst var en prototypmaskin som användes för att erbjuda ett principbevis. Till exempel, RAISOR har en särskild stråldump som kan användas för att absorbera strålen som används för att skapa de radioaktiva strålarna, vilket ger forskare ett mycket enklare sätt att kontrollera strålens kraft. "RAISOR driver verkligen våra tidigare begränsningar längre ut så att vi kan gå till högre intensitet och producera fler strålar, "Sa Dickerson.

De senaste förbättringarna av ATLAS med EBIS och RAISOR på ATLAS kommer att hjälpa forskare att undersöka strukturerna för exotiska element, studera karaktären hos kärnkraften, och bättre förstå produktionen av element i stjärnor och supernovor.