Os reinos externos da tabela periódica, onde estável, isótopos de longa duração dão lugar a íons radioativos, oferecem aos cientistas nucleares um vislumbre único da estrutura dos núcleos e uma melhor compreensão de como os diferentes elementos em nosso universo surgiram como resultado da fusão estelar ou explosões de supernova.

Para produzir e acelerar feixes de isótopos radioativos para experimentos de física, cientistas recorrem a instalações como o Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS), uma instalação do usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizada no Laboratório Nacional de Argonne para o estudo de física nuclear. Desde a primeira aceleração bem-sucedida de um feixe de íons pela instalação do protótipo ATLAS em 1978, ATLAS continuou a introduzir componentes que adicionam seleções de feixe exclusivas e melhoram drasticamente a qualidade do feixe, incluindo as recentes adições do Electron Beam Ion System (EBIS) e do Argonne In-Flight Radioactive Ion Separator (RAISOR).

ATLAS começou sua vida principalmente como uma instalação de feixe estável, mas no decorrer das últimas duas décadas, os cientistas foram pioneiros em técnicas para desenvolver feixes de íons radioativos. Em 2009, Argonne adicionou ao ATLAS um sistema chamado CARIBU, para atualização do criador de íons raros Californium, que é capaz de gerar feixes de isótopos raros.

Preparar os feixes do CARIBU para aceleração no ATLAS requer um pré-condicionamento especial, disse o físico de Argonne Clay Dickerson. O CARIBU atua diminuindo a velocidade dos produtos de decomposição de uma fonte de califórnio-252 radioativo no gás hélio.

"É como tentar correr por uma bolinha; os fragmentos perdem um pouco de sua energia, "Dickerson disse." Com alguma manipulação inteligente, podemos usar ímãs para selecionar íons com as massas específicas que desejamos. "O sistema CARIBU pode separar diferentes isótopos, desde que suas massas difiram em uma parte em 15, 000

Uma vez que os pesquisadores de física nuclear selecionam um feixe de isótopo particular, deve eventualmente ser acelerado no ATLAS. Para conseguir isso, Dickerson e seus colegas equiparam ATLAS com o novo EBIS, o que permite que o feixe corresponda às estruturas de aceleração, aumentando a carga positiva do feixe de íons.

O EBIS faz isso disparando um feixe de elétrons de alta energia nos íons, cada um dos quais tem cerca de 40 a 50 elétrons. À medida que o feixe de elétrons do EBIS separa os elétrons que cercam os íons radioativos, o estado de carga dos íons torna-se cada vez mais positivo, permitindo que eles sejam eficientemente acelerados.

Embora o EBIS seja bom na preparação de feixes de isótopos relativamente pesados ​​- aqueles com dezenas de prótons - a instalação RAISOR oferece aos cientistas uma maneira de examinar esses isótopos mais leves no topo da tabela periódica. Para gerar esses feixes radioativos, os pesquisadores primeiro têm que começar com um feixe estável e depois colidir com um alvo. Depois de gerar o feixe de interesse, os físicos nucleares do ATLAS podem realizar mais experimentos com ele a jusante.

"Este método - produção de feixes radioativos 'em vôo' - é conveniente e versátil, e permite melhor a exploração de uma parte significativa da quase estabilidade, isótopos de baixa massa, "Dickerson disse.

Embora RAISOR não seja o primeiro sistema de produção de vigas em vôo da ATLAS, ele aborda uma série de desafios enfrentados com o sistema anterior, que era principalmente um protótipo de máquina usado para oferecer uma prova de princípio. Por exemplo, RAISOR tem um despejo de feixe dedicado que pode ser usado para absorver o feixe usado para criar os feixes radioativos, dando aos cientistas uma maneira muito mais fácil de controlar a potência do feixe. "O RAISOR realmente empurra nossas limitações anteriores para que possamos ir para uma intensidade mais alta e produzir mais feixes, "Dickerson disse.

Os recentes aprimoramentos do ATLAS com EBIS e RAISOR no ATLAS ajudarão os cientistas a sondar as estruturas de elementos exóticos, estudar a natureza das forças nucleares, e compreender melhor a produção de elementos em estrelas e supernovas.