PANDORA: una nuova facility ai LNS

PANDORA sarà un'innovativa trappola magnetica per plasmi, per studi di fisica fondamentale, multidisciplinare ed in ambito applicativo, con l'obiettivo principale di misurare per la prima volta le vite medie del decadimento in plasmi, in condizioni di ionizzazione simili a quelle stellari e rilevanti per la nucleosintesi degli elementi chimici. La sua realizzazione è supportata dall'INFN attraverso il progetto PANDORA_Gr3.
PANDORA consta principalmente di tre sottosistemi (figura 1):

1. Un'innovativa trappola magnetica superconduttiva in grado di raggiungere 3 T di campo magnetico per confinare plasmi con densità elettronica-ionica fino a 10¹³ cm^-3 e temperatura elettronica T_e~0,1-30 keV, riscaldati con circa 6 kW di potenza a microonde;
2. Un avanzato sistema multi-diagnostico del plasma, costituito da molteplici strumenti non invasivi in grado di operare simultaneamente per investigare le proprietà (densità elettronica, funzione di distribuzione delle particelle con una certa energia e temperatura e relativo profilo spaziale e temporale);
3. Un Array di 14 rivelatori HPGe (High-purity Germanium) che circondano la trappola per effettuare misure di spettroscopia .

La realizzazione e l'installazione dell'intero sistema è prevista entro la metà del 2023. Le prime misure sperimentali in PANDORA saranno possibili, invece, tra la fine del 2023 e l'inizio del '24.

Figura 1: Trappola magnetica di PANDORA con il sistema di diagnostica costituito da un array di 14 rivelatori al germanio iperpuro e un apparato di multi-diagnostica non invasiva (Interfero-Polarimetro RF, spettroscopi ottici e a raggi X, pin-hole camera per imaging a raggi X-ray e sonde RF).

La trappola magnetica superconduttiva

L'innovativa trappola magnetica del progetto PANDORA_Gr3 consente di generare intensi campi magnetici in grado di confinare plasmi con valori di densità e temperatura che consentono di raggiungere stati di ionizzazione comparabili con quelli astrofisici.
Il Sistema magnetico (figura 2) è composto da 3 coil superconduttori (NbTi) per il confinamento assiale e un esapolo superconduttore (NbTi) per il confinamento radiale.
È la più grande trappola compatta per plasmi mai progettata in configurazione magnetica a "B minimo", con una camera del plasma avente lunghezza 70 cm e diametro interno 28 cm. Lo scopo di questa cosiddetta "trappola a B minimo" (configurazione magnetica caratterizzata da un'intensità di campo magnetico minima al centro che cresce lungo tutte le direzioni dal centro verso l'esterno) è quello di fornire un confinamento magnetoidrodinamicamente stabile di un plasma.

Figura 2: Sinistra - Conceptual Design della trappola magnetica PANDORA, in cui sono mostrati i coils e l'esapolo superconduttori (in rosso), il criostato (in blu) e la struttura esterna in ferro (in grigio). È possibile osservare nel criostato e nella struttura in ferro alcuni fori conici che fungono da collimatori per le diagnostiche di plasma. Destra Sketch di una simulazione ray-tracing per raggi-.

I campi magnetici massimi, di 2.7 T e 3 T lungo l'asse della camera e di 1.5 T lungo la superficie interna della camera, permetteranno di generare e confinare plasmi stabili mediante onde elettromagnetiche RF, a frequenze di 18 e 21 GHz e potenze di kW, tramite Risonanza Elettronica Ciclotronica (ECR).
Il criostato ospita l'intero sistema di magneti superconduttori e ne garantisce il funzionamento in sicurezza. Il criostato fornisce un supporto meccanico sicuro ed un isolamento termico efficiente per la sua massa fredda.
Esso fornisce inoltre una schermatura magnetica del campo prodotto dal sistema magnetico superconduttivo, ed è progettato per ospitare il sistema di multi-diagnostica, ivi compresa l'array di rivelatori HPGe.
Nella seguente tabella sono confrontate alcune delle caratteristiche delle più avanzate sorgenti ioniche di tipo ECR esistenti al mondo, equipaggiate con sistemi di confinamento magnetico ed RF dalle caratteristiche simili a quelle di PANDORA. Quest'ultima presenta la più grande lunghezza di mirror (ossia la distanza tra i massimi valori del campo magnetico) ed il maggiore raggio della camera del plasma tra gli apparati ad oggi operativi a livello internazionale. Tali distanze sono state imposte con l'obiettivo di aumentare il volume di plasma ed il tempo di confinamento ionico a parità (o anche con un'intensità minore) di campo magnetico massimo.

Il sistema multi-diagnostico e l'array di 14 rivelatori HPGe

L'avanzato sistema multi-diagnostico (figura 3) consterà, in sintesi, di:

• Un Silicon Drift Detector (SDD) per spettroscopia volumetrica nel dominio dei soft X-ray;
• Due CCD camere dotate di sistemi pin-hole e collimatori per imaging e spettroscopia spazio-risolta nel dominio dei soft X-ray. Una camera sarà installata radialmente, l'altra assialmente;
• Uno Spettrometro Ottico per caratterizzare la radiazione visibile;
• Due RF probes installate dentro la camera del plasma e connesse, rispettivamente, con un oscilloscopio e con un analizzatore di spettro;
• Due antenne horn a microonde operanti sia in modalità Interferometrica (quando connesse al braccio di riferimento in guida d'onda) sia Polarimetrica (quando connesse agli Orthomode Transducers OMTs);
• Un magnete di analisi con una Faraday-cup per analizzare il fascio estratto.

La trappola PANDORA sarà inoltre circondata da un array di 14 rivelatori HPGe, per spettroscopia γ e nel dominio degli hard X-ray, con un sistema di collimatori conici per intercettare il solo core del plasma.
Tutte le diagnostiche opereranno simultaneamente. In figura 3 è riportato uno sketch complessivo del sistema multi-diagnostico di PANDORA.

Figura 3: Sketch dei sottosistemi di diagnostica, consistenti in spettrometri ottici e ai raggi X, sistemi pin-hole per imaging ai raggi X, Interfero-Polarimetria a microonde, sonde RF, spettrometro di massa e array di rivelatori HPGe per spettroscopia (SXR: soft-X ray; OMT: Ortho-mode transducers).

Le principali caratteristiche degli strumenti diagnostici - in termini di range di sensibilità e risoluzioni - e le tipiche misure sperimentali che possono essere effettuate, con le relative tipiche incertezze, sono riassunte nella seguente tabella.

Il sistema di iniezione a microonde per il riscaldamento del plasma

PANDORA sarà composta da tre differenti linee di iniezione di microonde per eccitare (anche simultaneamente) il plasma mediante Electron Cyclotron Resonance (ECR).
Verranno adoperati tre generatori di microonde basati su amplificatori Klystron:

• due iniezioni di microonde (primaria e secondaria) saranno fornite da due amplificatori Klystron operanti nel range di frequenze 17.3-18.1 GHz a 2.4 kW (potenza di output);
• una terza iniezione di microonde sarà fornita da un amplificatore Klystron in banda K da 1,5 kW (potenza di output) operante nel range di frequenze 21-22 GHz.

Questa configurazione consentirà di operare secondo diversi schemi di iniezione a microonde: oltre l'eccitazione in singola frequenza sarà possibile impiegare sia lo schema in doppia frequenza (far e close operando con un gap di frequenze, rispettivamente, di GHz o centinaia di MHz) sia lo schema in tripla frequenza.
Infine, la trappola sarà dotata anche di sistemi di vaporizzazione per ioni metallici, anche per la produzione di plasmi di isotopi rari. Il grado di concentrazione atteso, rispetto al plasma primario tipicamente di He, O o Ar, è 1:100 (per isotopi metallici) o 1:3 (per i gassosi) in termini di densità parziali.

La Fisica

PANDORA è una facility concepita per studi multidisciplinari da condursi in ambiente di plasma, specialmente in ambito astrofisico - i plasmi di laboratorio possono emulare, infatti, in termini di densità, temperatura e stati di ionizzazione, talune condizioni dei plasmi astrofisici - ma anche in ambito applicativo. PANDORA potrebbe "aggiungere capacità di ricerca uniche" [rapporto CVI 2019] in astrofisica e astrofisica nucleare in laboratorio, garantendo:

1. per la prima volta, misure del decadimento nei plasmi, con un enorme impatto sulla fisica nucleare e sulla nucleosintesi stellare;
2. misura dell'opacità del plasma in condizioni simili ai kilonovae ejecta, che consentono di studiare la produzione di elementi pesanti nella fusione di stelle di neutroni;
3. una configurazione senza precedenti per le applicazioni: sarà la più grande trappola magnetica a B minimo con notevoli potenzialità come sorgente di ioni; come banco di prova per fusione magnetica; come sorgente di radiazioni per l'archeometria. PANDORA potrebbe quindi offrire la possibilità di effettuare test e studiare scenari utili a concepire e progettare nuove sorgenti di ioni e/o di radiazioni elettromagnetiche per la scienza e la tecnologia.

Ulteriori dettagli sono riassunti nel Technical Design Report di PANDORA, in cui sono descritti i principali sottosistemi della facility. I principali casi fisici già individuati e il relativo interesse in ambito astrofisico nucleare e applicativo, il metodo sperimentale, le competenze disponibili nonché l'approccio di gestione del progetto (struttura del progetto, collaborazioni, budget e analisi dei rischi) sono altresì riassunti nel documento.

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