Orbit dynamics studies of injection, acceleration and extraction of high-intensity beams for the upgrade of the INFN-LNS Superconducting Cyclotron

L attività di ricerca nell ambito della fisica nucleare condotta presso i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) dell INFN a Catania è realizzata mediante l impiego di fasci ionici forniti da due acceleratori di particelle, il tandem da 15 MV e il Ciclotrone Superconduttore (CS). NUMEN, un progetto di fisica nucleare nato recentemente ai LNS, propone l'uso di reazioni di doppio scambio di carica indotte da ioni pesanti come strumento per accedere a informazioni quantitative rilevanti per gli elementi di matrice nucleare presenti nell espressione del rate del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. L'esperimento pilota condotto dal team NUMEN ai LNS di Catania ha dimostrato la necessità di valori di potenza di fascio dell'ordine di 1-10 kW di Carbonio, Ossigeno e Neon con energie nell'intervallo 15-70 MeV/amu. Un ulteriore requisito è che l energy spread di fascio non superi il valore di 1/1000 FWHM. Attualmente, la massima potenza di fascio fornita dal CS non supera i 100 W ed è pertanto necessario un upgrade sostanziale del ciclotrone per soddisfare i requisiti del progetto NUMEN. Il lavoro sviluppato in questa tesi si colloca all interno del progetto di upgrade del CS ed è dedicato alla simulazione della dinamica del fascio nel ciclotrone dei LNS, con la finalità di trovare soluzioni innovative che permettano di soddisfare i requirement del progetto NUMEN sia in termini di potenza del fascio che di risoluzione energetica. Uno degli argomenti principali di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell'estrazione dei fasci mediante stripping dal CS. Lo studio ha permesso di individuare: i) la posizione dello stripper foil per ciascun ione da estrarre mediante stripping; ii) la dimensione trasversale e la direzione del nuovo canale di estrazione del CS da utilizzare per tutti gli ioni da estrarre mediante stripping e iii) le caratteristiche dei canali magnetici da installare all'interno del nuovo canale di estrazione. Un altro importante topic di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell'iniezione del fascio all interno del CS e la sua accelerazione fino all'estrazione. Questo studio è stato possibile grazie allo sviluppo del modello di beam tracking del Ciclotrone Superconduttore, eseguito in collaborazione con l azienda Ion Beam Applications. Questo lavoro ha dimostrato che l'efficienza di trasmissione totale dall'iniezione nel ciclotrone lungo l asse verticale principale fino al sistema di estrazione (studio in cu è stato simulato anche il processo di selezione dell'energia al di fuori del CS tenendo conto del requirement di NUMEN), è solo il 2,7%, un valore molto basso se confrontato col valore previsto di 15%. Il processo di selezione dell'energia è la causa principale della bassa efficienza totale. Questo lavoro di tesi ha tuttavia dimostrato che il maggior contributo all'energy spread del fascio all estrazione è dovuto alla grande emittanza iniettata nel ciclotrone LNS. Il guadagno di energia per giro contribuisce solo parzialmente all energy spread all'estrazione, ma, in ogni caso, stabilisce un limite inferiore al minimo energy spread ottenibile per i fasci del CS. Questo valore rimane intorno allo 0,2%, circa il doppio del requisito NUMEN. E stato anche dimostrato che è possibile aumentare l'efficienza di iniezione fino ad un fattore di 1,7, applicando ai dee tensioni più elevate rispetto a quella nominale e modificando leggermente il disegno della regione centrale esistente. Questa tesi consente anche di stabilire una roadmap delle attività da svolgere nel corso dei prossimi mesi/anni per potere effettivamente ottenere le richieste in termini di qualità del fascio del progetto NUMEN. In base ai risultati delle simulazioni, l'obiettivo di riduzione dell energy spread può essere raggiunto solo prestando attenzione alla produzione e al trasporto del fascio ionico al CS, poiché questi processi determinano il valore dell'emittanza orizzontale e verticale nella regione centrale.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2018

Author dc:creator

• D'AGOSTINO, GRAZIA

Contributors dc:contributor

• CAPPUZZELLO, FRANCESCO
• BELLINI, Vincenzo

• Cyclotron, Extraction, Injection

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/582784

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/582784