STUDY OF A NEW TARGET-ION SOURCE UNIT AND BEAM LINE FOR AN ENERGY AND POWER UPGRADE OF THE SPES PROJECT AT INFN LNL

Since the beginning of the 20th century, nuclear physics has explored the behavior and stability of nuclei and has faced new scientific and technological challenges. The development of such research has required the support of increasingly sophisticated and complex equipment. Over the years, Europe has taken a leading role in nuclear research and is now promoting the EURISOL project, aimed at the creation of a new facility for the production of beams of radioactive ions that will allow to investigate with an unprecedented detail the behavior of the most unstable nuclei, called exotic nuclei. The National Institute for Nuclear Physics (INFN), with the SPES Project (Selective Production of Exotic Species), actively participates in this wide-ranging program at the National Laboratories of Legnaro. This project involves the construction of a facility for the production of high intensity and quality neutron-rich radioactive ion beams using the so-called ISOL (Isotope Separation On Line) production method. The Italian project, together with other European projects currently under construction or refinement, constitutes an intermediate step towards the realization of EURISOL. Compared to other European projects, it will allow to work with higher intensity proton primary beams, thus allowing to obtain exotic isotopes more distant from the valley of stability and, for this reason, more difficult to produce and currently less known. In the first phase, a primary beam-target chamber system designed to operate with a proton beam of 40 MeV of energy, and up to 200 μa of intensity will be used. However, the cyclotron used is capable of reaching a maximum energy of 70 MeV and producing a beam intensity of 300 μa. The current apparatus has pushed the performance of individual components, constituent materials and the overall system up to its engineering limit. Raising the energy value of the primary beam to the maximum possible value for the cyclotron requires therefore a complete overhaul of the structure, components and constituent materials, both of the target chamber system and of the primary beam line. It would thus be possible to achieve a significant increase in system performance in terms of intensity and purity of the produced radioactive ion beams, using essentially the same general plant currently available and already fully financed. With its completion at the highest performance, the SPES project would also constitute an exemplary model of the construction of facilities for the production and study of high performance radioactive ion beams in a national nuclear physics laboratory, generally not equipped with large accelerators, and the corresponding economic resources, of big international laboratories such as CERN. The present work fits in this context. The expected increase in energy and intensity of the primary beam of SPES, makes it necessary to redesign some of the main elements of the current line, now at the limit of performance. However, the opportunity is taken to develop and gather a series of methodological technical experience capable of providing general guidelines, allowing, for an ISOL-method radioactive ion production facility, a guided development of the primary beam line and its components for the highest performance currently achievable with cyclotrons. In this way, the research is enriched by a methodological interest that can find wide applications in different contexts.

Dagli inizi del ventesimo secolo, la fisica nucleare ha esplorato il comportamento e la stabilità dei nuclei, affrontando nuove sfide scientifiche e tecnologiche. Lo sviluppo di tali ricerche ha richiesto il supporto di apparecchiature sempre più sofisticate e complesse. Nel corso degli anni l’Europa ha assunto un ruolo di leadership nel campo della ricerca nucleare e sta ora promuovendo il progetto EURISOL, volto alla realizzazione di una nuova macchina per la produzione di fasci di ioni radioattivi per investigare con un dettaglio senza precedenti il comportamento dei nuclei più instabili, chiamati nuclei esotici. All’interno di questo programma partecipa attivamente anche l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), con il progetto SPES (Selective Production of Exotic Species), presso i Laboratori Nazionali di Legnaro. Tale progetto prevede la costruzione di una macchina per la produzione di fasci di ioni radioattivi ricchi di neutroni di elevata intensità e qualità utilizzando il metodo di produzione cosiddetto ISOL (Isotope Separation On Line). Il progetto italiano, assieme ad altri progetti europei attualmente in fase di costruzione o perfezionamento, costituisce un passaggio intermedio verso la realizzazione di EURISOL. Rispetto agli altri progetti europei, consentirà di lavorare con fasci primari di protoni a maggiore intensità, permettendo così di ottenere isotopi esotici più distanti dalla valle di stabilità e, per questo motivo, più difficili da formare e attualmente meno conosciuti. Nella prima fase, si utilizzerà un sistema linea di fascio primario-camera target progettato per operare con un fascio di protoni da 40 MeV di energia a 200 μA di intensità. Il ciclotrone utilizzato è però in grado di raggiungere un’energia massima di 70 MeV e di produrre una intensità di fascio di 300 μA. L’apparato attuale ha spinto le prestazioni dei singoli componenti, dei materiali costituenti e del sistema complessivo fino al proprio limite ingegneristico. L’innalzamento del valore dell’energia del fascio primario al massimo valore possibile per il ciclotrone impone quindi una revisione completa della struttura, dei componenti e dei materiali costituenti. È così possibile ottenere un incremento significativo delle prestazioni del sistema in termini di intensità e purezza dei fasci di ioni radioattivi prodotti, utilizzando essenzialmente lo stesso impianto generale attualmente disponibile e già completamente finanziato, quindi con notevole economia nell’utilizzo delle risorse. Con il suo completamento alle prestazioni più elevate, il progetto SPES costituirebbe, inoltre, un modello esemplare della costruzione di macchine per produzione e studio di fasci di ioni radioattivi di alte prestazioni in un laboratorio nazionale di Fisica Nucleare, non dotato generalmente delle grandi macchine acceleratrici, e delle corrispondenti grandi risorse economiche, dei grandi laboratori internazionali come il CERN. In quest’ottica si inserisce il presente lavoro di tesi. Il previsto incremento di energia e intensità del fascio primario di SPES, rende necessaria la riprogettazione di alcuni dei principali elementi dell’attuale linea a disposizione, giunta ormai al limite delle prestazioni. Si coglie tuttavia l’occasione per sviluppare e raccogliere una serie di esperienze sul piano tecnico metodologico in grado di fornire delle linee guida generali che permettano, per una macchina di produzione di ioni radioattivi con metodo ISOL, uno sviluppo guidato della linea di fascio primario e dei suoi componenti per le prestazioni più elevate raggiungibili attualmente con i ciclotroni. In questo modo la ricerca progettuale, al di là degli aspetti strettamente relativi al Progetto SPES, si arricchisce di un interesse metodologico che può trovare ampie applicazioni anche in contesti diversi della ricerca nucleare sperimentale.