Sorgenti di ioni ai LNS

I Laboratori Nazionali del Sud ospitano due iniettori ad alte prestazioni per il ciclotrone superconduttore K800. Si tratta di sorgenti di ioni di tipo Electron Cyclotron Resonance (ECR). Le ECRIS (figura 1a) sono sorgenti di ioni al plasma che forniscono ioni ad alto stato di carica agli acceleratori di particelle.

Le due sorgenti installate presso i LNS sono chiamate SERSE e CAESAR.

SERSE ha rappresentato tra i primi anni '90 e l'inizio del 2000 lo stato dell'arte delle ECRIS in tutto il mondo ed è stata tra le prime sorgenti ad essere equipaggiata con un sistema magnetico completamente superconduttore. Il primo plasma è stato prodotto infatti il 13 giugno 1998.

È in grado di produrre più di 100 eμA di O⁷⁺ e correnti simili di ioni più pesanti come Xe^{27 +}. CAESAR è una sorgente ibrida equipaggiata con una coppia di bobine di rame ed un esapolo a magneti permanenti. Viene utilizzata per correnti di fascio e stati di carica meno impegnativi, soprattutto per protoni o ioni leggeri come O e/o C, N, Ne. Possono essere prodotti fino a diverse decine di eμA di stati di carica intorno a O ^6+. Nelle macchine di tipo ECRIS, gli ioni vengono estratti da un plasma ad elevata densità e ad alta temperatura (n_e ~ 10¹⁰-10¹³ cm^-3, T_e ~ 0,1-100 keV) generato mediante riscaldamento ECR. Il plasma è eccitato all'interno di una camera metallica cilindrica mediante microonde (2,45-28 GHz) e confinato da una configurazione detta a B-minino MHD-stable (struttura esapolare sovrapposta ad una semplice bottiglia magnetica) come mostrato in figura 1b.

L'importanza dello sviluppo di sorgenti ECRIS altamente performanti per la fisica nucleare è dovuta al fatto che l’energia specifica nei ciclotroni e nei Sincrotroni va come (q/A)², essendo q lo stato di carica ionica.

Sorgenti ioniche per l’acceleratore TANDEM

L’acceleratore TANDEM è provvisto di due sortenti di tipo “Sputtering” il cui principio di funzionamento è sinteticamente illustrato negli schemi in figura.

Nelle sorgenti di questo tipo, in grado di fornire ioni negativi, vapori di cesio vengono prodotti da un opportuno forno, quindi confinati tra il catodo ed una superficie surriscaldata al fine di ottenere ionizzazione per contatto con la superficie calda. Gli ioni di Cesio vengono quindi accelerati verso il catodo che, colpito, evapora sotto forma di specie ioniche prevalentemente negative (processo di “sputtering”); una parte dell’evaporato, composto da atomi neutri o ioni positivi, interagendo con i vapori di Cesio attraverso i quali passa viene a sua volta convertito in ioni negativi.

La disponibilità di fascio, in termini di varietà delle specie ioniche che possono essere prodotte, dipenderà pertanto in maniera cruciale non soltanto dalla tecnologia generale della sorgente, ma anche dalla preparazione dei materiali e dalla tecnologia di produzione dei catodi. Le tecniche sviluppate lungo gli anni e ad oggi adottate presso i LNS sono il frutto di fruttuose sinergie tra il servizio di produzione di fasci ionici ed il servizio di preparazione dei target: ciò ha consentito ai laboratori di dotarsi di una vasta collezione di fasci che spazia dai protoni fino al magnesio, al rame, al calcio, al sodio. Tra i vari fasci, si annoverano tra i più rilevanti 15 μA di H, 2 μA di D, circa 1 μA di ^6,7Li, 2 μA di ¹¹B, 20 μA di ¹²C, 0.2 μA di ¹³C, 20 μA di O (un simile ammontare anche per F), 1 μA di CN, 5 μA di Si, 0.25 μA di MgH e 0.55 μA di MgH₃, 20 μA di S, 20 μA di Cu, 5 μA di Au, 1.5 μA di Ge.

Diagnostica di plasma sviluppata presso i LNS per sorgenti di ioni al plasma

Uno dei fattori limitanti per la piena comprensione della fisica delle sorgenti ECR è rappresentato dai pochi tipi di strumenti di diagnostica finora disponibili per tali macchine compatte. La messa a punto della funzione di distribuzione di energia degli elettroni, necessaria per ottimizzare il processo di ionizzazione, nonché la soppressione della turbolenza del plasma e delle instabilità richiede una dettagliata conoscenza – possibilmente con elevata risoluzione spaziale - delle proprietà del plasma in termini di densità elettronica e ionica, temperatura, distribuzione degli stati di carica – da valutare “on-line” – e dei valori di campo magnetico locale.

Una vasta gamma di strumenti diagnostici che abbracciano tutto lo spettro elettromagnetico è dunque necessaria: dalla interferometria a microonde alla spettroscopia X. Alcuni di questi metodi sono già utilizzati presso i laboratori che ospitano ECRIS nel mondo, e in particolare ai LNS, che ha svolto nel recente passato un ruolo di primo piano nel campo della diagnostica di plasma contenuto in trappole magnetiche compatte.

A partire dal 2006 è stata sviluppata la spettroscopia integrata su ampi angoli solidi (indagine “volumetrica” della radiazione emessa dal plasma) di raggi X a bassa energia nel dominio 2-30 keV (utilizzando rivelatori al silicio “drift “ – SDD, con 125 eV di risoluzione energetica a 5.6 keV) e nel regime di alta energia (> 30 keV, utilizzando rivelatori al germanio ad elevata purezza – HpGe – con alcune centinaia di eV di risoluzione energetica). Le misure hanno prodotto risultati preziosi in termini di conoscenza della funzione di distribuzione di energia degli elettroni ai domini di più alta energia in funzione dei gradienti di campo magnetico nella trappola di confinamento. La spiegazione del frequency tuning effect (FTE), scoperto ai LNS nei primi anni del 2000 – è stata possibile grazie ad una stretta sinergia tra la modellizzazione e la diagnostica a raggi X. Successivamente sono state sviluppate tecniche di imaging a raggi X che hanno consentito di ottenere spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione energetica e spaziale, effettuata con metodi “quasi-ottici” (camere “pin-hole”). Risoluzioni spaziali millimetriche, con 145 eV di risoluzione energetica per pixel, sono state raggiunte nel range di energia 0,5-10 keV. L’INFN ha inoltre finanziato la progettazione e lo sviluppo di uno spettrometro a raggi X ad alta risoluzione basato sulla “grating”, nominalmente in grado di raggiungere Δλ / λ = 10^-3 @ 565 eV di energia per fotone, che verrà installato entro la fine del 2016 sul test-bench denominato Flexible Plasma Trap (FPT).

Altre sorgenti ioniche sviluppate ai LNS

La sorgente Advanced Ion Source for Handrontherapy (AISHa) si basa sui più recenti sviluppi teorici proposti dal Gruppo di R&D di Sorgenti di Ioni e presenta delle innovazioni tecnologiche che permetteranno, rispetto alle sorgenti ECR oggi in commercio, di avere delle performance maggiori in termini di stato di carica prodotto, corrente e versatilità delle specie ioniche da produrre, mantenendo le caratteristiche necessarie per l’installazione in ambiente ospedaliero.

La sorgente AISHA è una nuova sorgente ECR di tipo ibrido, poiché il campo magnetico necessario per confinare il plasma radialmente è generato da un esapolo costruito con magneti permanenti, mentre quattro solenoidi in NbTi provvedono al confinamento assiale.

La sorgente AISHA utilizza un criostato compatto che include un apparato di tipo cryocooler per permettere il funzionamento dei magneti h24 senza la fornitura di elio liquido dall’esterno.

Il sistema di iniezione delle microonde è stato progettato al fine di poter effettuare il tuning in frequenza fino a potenze molto alte (~2 kW @18 GHz).

La sorgente AISHA per le sue innovative caratteristiche aprirà nuove prospettive di R&D ai LNS in quanto permetterà di generare fasci ad elevato stato di carica incluso He, C, Li, Be e B per studi di biologia e radioterapia.

VIS – Versatile Ion Source

La sorgente Versatile Ion Source (VIS) si basa su magneti permanenti che producono un campo quasi-costante intorno ai 0.1 T, in grado di accoppiare microonde da 2,45 GHz secondo il meccanismo tipico delle sorgenti ioniche a “microwave-discharge”. La macchina è collocata su una piattaforma ad alta tensione (75 kV) producendo diverse decine di mA di fasci di protoni. La sorgente VIS assicura operazioni di lunga durata senza manutenzione e garantisce alta affidabilità al fine di soddisfare i requisiti dei futuri acceleratori ad alta intensità. La costruzione di questa sorgente proviene dall'esperienza ottenuta attraverso il progetto TRASCO (TRAsmutazione SCOrie), per il quale era stata sviluppata la sorgente compatta di protoni denominata TRIPS. Rispetto a TRIPS, VIS presenta una geometria molto più semplificata degli elettrodi di estrazione e magneti permanenti mobili. Tutti i dispositivi di controllo remoto sono stati messi a potenziale di terra, lasciando solo la camera del plasma e i magneti permanenti ad alta tensione. Le dimensioni compatte hanno contribuito ad ottenere una manutenzione più semplice e di maggiore efficacia.

PS-ESS – Sorgente di Protoni per la European Spallation Source

L’acceleratore ESS dovrà operare a differenti livelli di potenza di fascio ed alta affidabilità; questa richiesta è stata la principale specifica di progettazione per lo sviluppo della sorgente di protoni chiamata PS-ESS (proton source per l’European Spallation Source) che fornirà fasci intensi di protoni per l'acceleratore.

La corrente media di 62.5 mA (sul target) permetterà di ottenere una potenza di fascio massimo pari a 5 MW a 2 GeV.

PS-ESS è una sorgente di ioni di tipo Microwave Discharge Ion Source (MDIS) simile alla sorgente VIS sviluppata ai LNS e alla sorgente SILHI del CEA-Saclay. Il fascio dalla sorgente di ioni viene trasportato attraverso una linea di trasporto a bassa energia (LEBT) verso il quadrupolo a radiofrequenza (RFQ) per focalizzare e l'accelerare.

I Laboratori Nazionali del Sud hanno assunto un ruolo di coordinamento per la progettazione e costruzione del Normal Conducting Linac, inclusa la sorgente di protoni e la LEBT che costituisce il contributo diretto, il Radiofrequency Quadrupole (RFQ) sviluppato dal CEA, la linea di fascio di media energia (MEBT) sviluppata da ESS-Bilbao e il Drift Tube Linac, contributo di INFN-LNL. L'esperienza acquisita dall'INFN in attività di R&D per acceleratori di protoni ad alta potenza (HPPA), sviluppati ai LNS, LNL e LASA sin dagli anni 90, è risultata preziosa per tale coordinamento.

La progettazione della sorgente ha usufruito dei recenti avanzamenti teorici insieme con i nuovi strumenti di diagnostica di plasma sviluppati presso l’INFN-LNS.

L’obiettivo della sorgente PS-ESS è ottenere un fascio di protoni di 74 mA. La stabilità del fascio è di ± 3,5% per impulso con una variazione del ± 2% della corrente di fascio tra un impulso e il successivo su un periodo di 50 μs. La durata dell'impulso è di 2,86 ms con frequenza di ripetizione di 14 Hz. E’ richiesta un’affidabilità maggiore del 95% per l'intero acceleratore, quindi significa che l'affidabilità della sorgente deve essere superiore al 99%.

L’emittanza che ci si aspetta di ottenere è di circa 0.25 π-mm-mrad.

A Giugno 2016, i Laboratori Nazionali del Sud hanno generato il primo plasma con successo e cominciato la caratterizzazione del fascio.

Flexible Plasma Trap (FPT)

L'esperienza maturata nel corso degli ultimi anni presso l’INFN-LNS ha permesso di studiare con sempre maggiore precisione i fenomeni che regolano la produzione ed il confinamento del plasma, consentendo di immaginare nuove modalità di eccitazione e schemi di lancio delle microonde di nuova concezione. Tali approcci richiedono strutture magnetiche molto flessibili, come quelle che caratterizzano la trappola al plasma denominata Flexible Plasma Trap (FPT), attualmente in funzione ai LNS.

La trappola è dotata di tre solenoidi che consentono una ampia variazione del profilo di campo magnetico. La camera di plasma offre inoltre la possibilità di accoppiare diversi ingressi in guida d'onda per l’ iniezione contemporanea delle microonde lungo due direzioni: perpendicolare e parallela all’asse di simmetria del campo magnetico. Inoltre, la meccanica della macchina consente di ospitare diversi tipi di diagnostiche (ottiche, raggi X, interferometria a microonde, ecc.). I nuovi schemi di iniezione prevedono l’iniezione delle onde elettromagnetiche sotto opportuni angoli di incidenza, variando la frequenza nel range 3 – 14 GHz; la loro efficacia è quindi testata per mezzo dei summenzionati strumenti di diagnostica per valutare gli effetti sulla densità elettronica del plasma.