Le sorgenti di ioni per gli acceleratori dei LNS

I Laboratori Nazionali del Sud ospitano due acceleratori di particelle: un ciclotrone superconduttore ed un Tandem da 14 MeV. I fasci che vengono accelerati sono prodotti da due tipi di iniettori diversi: per il ciclotrone superconduttore si usano due sorgenti di ioni di tipo Electron Cyclotron Resonance (ECRIS), mentre per il Tandem si usano sorgenti di tipo Sputter.

Sorgenti ioniche per il Ciclotrone Superconduttore K-800 dei LNS

Le due sorgenti che producono il fascio di particelle che viene accelerato dal ciclotrone sono denominate SERSE e CAESAR e permettono la produzione di ioni positivi ad alto stato di carica.

La sorgente 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 superconduttivo. Il primo plasma è stato prodotto infatti il 13 giugno 1998 ed è in grado di produrre più di 100 eμA di O⁷⁺ e correnti simili di ioni più pesanti come Xe²⁷⁺.
La sorgente CAESAR è invece una sorgente equipaggiata con un sistema magnetico composto da solenoidi a temperatura ambiente ed un esapolo a magneti permanenti. Date le sue caratteristiche inferiori a quelle di SERSE viene utilizzata per correnti di fascio e stati di carica medio-bassi, soprattutto per protoni o ioni leggeri come O e/o C, N, Ne.

In queste macchine, gli ioni vengono estratti da un plasma ad elevata densità e ad alta temperatura (Ne ~ 10¹⁰-10¹³ cm^-3, Te ~ 0,1-100 keV) generato mediante riscaldamento ECR (Electron Cyclotron Resonance). Il plasma è eccitato all'interno di una camera metallica cilindrica a vuoto mediante microonde e confinato da una configurazione detta a B-minino per avere stabilità magnetoidrodinamica (MHD). Gli elettroni del plasma interagiscono con il campo elettromagnetico subendo una risonanza di ciclotrone, acquistando energia che poi trasmettono agli atomi causando la loro ionizzazione. Questo processo insieme alla particolare configurazione magnetica, che presenta un minimo di campo al centro della camera che cresce radialmente e che si sovrappone ad una semplice bottiglia magnetica, permette la formazione di ioni ad alto stato di carica (figura 1) che possono essere estratti dalla sorgente e accelerati.

L'importanza dello sviluppo di sorgenti ECRIS altamente performanti per la fisica nucleare è dovuta al fatto che l’energia massima raggiungibile da un ciclotrone è direttamente proporzionale al quadrato del rapporto tra lo stato di carica q e la massa A dello ione considerato: Emax=kb (q/A)².

Sorgenti ioniche per l’acceleratore TANDEM 14 MeV dei LNS

L’acceleratore TANDEM è provvisto di due sorgenti uguali di tipo “Sputter” che forniscono il fascio di ioni negativo da poter successivamente iniettare ed accelerare al Tandem.
Il processo fisico in gioco è l’opposto di quello delle sorgenti ECR: mentre nelle prime vengono strappati elettroni per creare ioni positivi con diversi stati di carica, in quest’ultime l’obiettivo è aggiungere un elettrone all’atomo, o molecole di interesse, per poi poterlo successivamente accelerare.
La sorgente di ioni negativi per sputtering è in grado di produrre fasci di ioni negativi da bersagli solidi. Gli ioni vengono prodotti bombardando un bersaglio, un catodo riempito con il materiale di cui si vuole produrre il fascio ionico, con ioni positivi di Cesio che viene a sua volta ricoperto da un sottile strato di Cesio per condensazione del vapore sulla superficie raffreddata del bersaglio. Gli atomi sottoposti a sputtering scambiano elettroni con il Cs quando attraversano questo strato, trasformandosi in ioni negativi. Gli ioni negativi vengono quindi respinti verso la zona di estrazione, mentre gli elettroni secondari prodotti nelle collisioni vengono eliminati dal fascio negativo mediante un campo magnetico permanente. Le sorgenti sono posizionate su una piattaforma ad alta tensione per consentire la pre-accelerazione del fascio di particelle da inviare al Tandem.

La disponibilità di fascio, in termini di varietà delle specie ioniche che possono essere prodotte, dipende 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 Iniettori ed il Laboratorio di Tecniche Chimico Fisiche dove vengono preparati i target. L'attività congiunta 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 come riportato in tabella 4.