Iniettore di protoni per l'acceleratore lineare della European Spallation Source
L'European Spallation Source (ESS) è un consorzio europeo per le infrastrutture di ricerca (ERIC) con l'obiettivo di costruire un importante centro di ricerca multidisciplinare sui neutroni.
La collaborazione internazionale ha avviato la progettazione dell'acceleratore lineare (LINAC) nel lontano 2012, mentre la costruzione è iniziata nel 2014 a Lund, nella parte meridionale della Svezia. L'acceleratore lineare e alla sorgente di neutroni più potente al mondo mai costruita fino ad oggi sarà completato nel 2023.
La mission della ESS è permettere nuove scoperte scientifiche relative alla ricerca di nuovi materiali, in ambito energia, salute e ambiente per affrontare alcune delle sfide sociali più importanti del nostro tempo.
L'INFN-Laboratori Nazionali del Sud (LNS) hanno contribuito alla realizzazione dell'acceleratore lineare di ESS con la progettazione e la costruzione della sorgente di protoni, denominata PS-ESS, e della linea di trasporto a bassa energia (LEBT).
La sorgente di protoni
Il cuore della sorgente PS-ESS è un sistema magnetico flessibile, costituito da tre solenoidi, in grado di generare un'ampia gamma di profili magnetici. La potenza a microonde per la generazione del plasma è fornita da un magnetron da 2 kW funzionante a 2.45 GHz. Un'unità di tuning automatica e un trasformatore di impedenza realizzato ad hoc garantiscono il massimo trasferimento di potenza al plasma. Un sistema di estrazione a 4 elettrodi compatto, ottimizzato per operare ad alta tensione (75 kV), permette di minimizzare eventuali scariche e facilitarne la manutenzione.
Per lo studio delle diverse configurazioni della sorgente e al fine di produrre fasci stabili, è stato sviluppato all'interno degli LNS anche un sistema di controllo automatico che permette di ridurre al minimo l'intervento umano.
La linea di trasporto a bassa energia (LEBT)
La linea a bassa energia (LEBT) è stata progettata per ridurre al minimo l'emittenza e consentire la completa caratterizzazione del fascio in termini di dimensioni e durata dell'impulso nel tempo. Due solenoidi identici, con integrati due steerers magnetici, si occupano del matching e dell'allineamento del fascio con la parte successiva dell'acceleratore. Un diaframma a sei lame, denominato IRIS, permette di cambiare sia le dimensioni che controllare con precisione la corrente di fascio. Un chopper elettrostatico, anch'esso sviluppato all'interno degli LNS, permette di accelerare i tempi di salita (rise time) e discesa (fall time) dell'impulso di fascio. Quest'ultimo è stato inoltre progettato per preservare la compensazione della carica spaziale e risolvere problemi relativi alla dissipazione della potenza di fascio. In una lunghezza totale di 2 metri sono state integrate anche due unità di misura dell'emittanza (EMU), una faraday cup (CP), un misuratore non invasivo di profilo di fascio (NPM) e un'unità Doppler Shift Measurement. Termina la LEBT un collimatore in grado di resistere ad una potenza di fascio fino a 10 kW, inoltre durante l'operazione di taglio (chopping), funge da break da vuoto tra la LEBT (10-5 mBar) e l'RFQ (10-7 mBar). Il collimatore infine permette di misurare la quantità e la posizione del fascio trasmesso verso la parte successiva dell'acceleratore.
La caratterizzazione e il viaggio verso la Svezia
La sorgente PS-ESS ha raggiunto prestazioni superiori alle richieste del progetto ESS, infatti è in grado di produrre impulsi stabili compresi tra 35 e 120 mA. I 70 mA di protoni alla fine della LEBT (valore utilizzato dall'acceleratore ESS), sono stati prodotti con tempi di salita e discesa di 500 ns, stabilità intra-impulso di ± 2% e stabilità fra impulsi di ± 3.5%.
Dopo il successo del commissioning presso i LNS, all'inizio di novembre 2017, la sorgente e la LEBT sono stati smontati, imballati e trasferiti a Lund. Un trasporto dedicato, monitorato in tempo reale e pubblicato con l'hashtag #IonSourceAdventure, ha permesso di far arrivare a destinazione l'iniettore dopo un viaggio di 8 giorni e 2.925 km. Il disimballaggio e il rimontaggio sono stati effettuati dallo staff LNS in collaborazione con i colleghi svedesi di ESS in soli 14 giorni lavorativi.
Inaugurazione dell’iniettore di protoni a Lund, 15 Novembre 2018, in presenza del Presidente della Repubblica Italiana Sergio Mattarella e della Famiglia Reale Svedese
La sorgente PS-ESS e la LEBT durante l’assemblaggio all’interno della sala acceleratori della ESS a Lund
Bibliografia
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