ISOLDE – einzigartige Quelle für radioaktive Isotope

Die Ionenquelle ISOLDE am CERN kann Isotope von über siebzig chemischen Elementen herstellen. Experimente mit diesen Ionenstrahlen liefern wichtige Erkenntnisse für die Kernphysik, aber auch für die Materialforschung und Medizin.

Mit dem Experiment MINIBALL an der Ionenquelle ISOLDE können Forscherinnen und Forscher Gammastrahlung messen, die beim Zerfall kurzlebiger Isotope entsteht. © CERN/Maximilien Brice

Die Ionenquelle ISOLDE kann mehr als tausend Isotope von über siebzig chemischen Elementen produzieren und für Experimente zur Verfügung stellen – eine vergleichbare Bandbreite gibt es sonst nirgendwo auf der Welt. Die Abkürzung steht für „Isotope Separator On Line Device“. Vor allem in den 60er und 70er Jahren haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch die am CERN beheimatete Anlage viele Isotope überhaupt erst entdeckt, systematisch erzeugt und erstmalig charakterisiert. Damit konnten sie die Nuklidkarte erheblich erweitern. Diese grafische Übersicht enthält alle bekannten stabilen und instabilen Isotope der Elemente – damit ist sie die Grundlage für Kernforschung.

Wie lassen sich so viele verschiedene Isotope herstellen und untersuchen? Zunächst wird ein im Teilchenbeschleuniger produzierter Strahl aus Protonen in einen abgeschirmten Strahlenschutzbereich geleitet. Dort treffen die positiv geladenen Teilchen auf ein Zielmaterial. Dieser Protonenbeschuss spaltet die Atomkerne des Materials oder zerschmettert sie wie ein Projektil. Die dabei entstehenden radioaktiven Isotope gelangen dann in eine Ionenquelle, wo sie durch den Kontakt mit heißen Metalloberflächen, einem Plasma oder Photonen ionisiert werden. Die nun positiv geladenen Isotope werden dann auf eine Energie von bis zu sechzig Kiloelektronenvolt beschleunigt und mithilfe von Ablenkmagneten der Masse nach getrennt. Auf diese Weise kann ISOLDE Ionenstrahlen hoher Reinheit für mehr als tausend verschiedene Isotope produzieren, die dann zu den Experimenten weitergeleitet werden.

Aber an ISOLDE wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur die produzierten radioaktiven Atomkerne und deren Zerfallsreihen charakterisieren. Ein weiterer Fokus der Experimente liegt bei ISOLDE auf der Festkörperphysik. Dabei werden die Ionen als winzige „Spione“ oder nukleare Sonden in zu untersuchende Materialien eingeschleust. Zerfallen sie dort, verrät die Art und Weise, wie die Zerfallsprodukte sich ausbreiten, viel über die Materialeigenschaften.

Finanziert wird ISOLDE aus dem CERN-Budget und den Beiträgen von derzeit 17 Mitgliederstaaten der ISOLDE Collaboration. Aktuell arbeiten etwa 450  Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei ISOLDE mit. Die meisten Nutzer der Ionenquelle kommen aus Deutschland. Von 2013 bis 2019 fördert das Bundesforschungsministerium deutsche Universitätsgruppen mit 2,5 Millionen Euro. Damit entwickeln die Forschenden unter anderem neue Messinstrumente für ISOLDE.

ISOLDE bietet zahlreiche technische Möglichkeiten für Untersuchungen mit nuklearen Sonden. Gerade in der Festkörperphysik spielt diese Methode eine wichtige Rolle. Aber nicht nur die Materialforschung, sondern auch medizinische oder biologische Fragestellungen können mit ISOLDE beantwortet werden – so kommt die Ionenquelle etwa zum Einsatz, um die Aktivität von Proteinen zu charakterisieren.