Beam Dynamics Characterization of the IFMIF/EVEDA RFQ Input Beam

Gli acceleratori ad alta intensità sono oggetto di ricerche all'avanguardia a livello mondiale nel campo degli studi di dinamica di fascio. Gli upgrade degli acceleratori esistenti LINAC4, FERMILAB, FAIR e le nuove applicazioni che utilizzano fasci di neutroni come ESS, IFMIF, MUNES, sia per la ricerca scientifica sia per cure mediche che per le prove sui materiali, richiedono un aumento delle conoscenze nella trattazione dei fasci ad alta intensità. Una delle parti più difficili da trattare è la parte dell'iniettore: le particelle dei fasci ad alta intensità a bassa energia sono sottoposte ad una forte interazione coulombiana. La situazione si complica ulteriormente a causa della possible presenza di diverse specie, le quali producono un comportamento plasma-like del fascio. Per conto del team INFN-LNL, ho partecipato al collaudo dell'iniettore (sorgente e linea di trasferimento a bassa energia) del progetto IFMIF / EVEDA. Tramite esperimenti e sviluppi del modello di simulazione, ho contribuito allo studio del comportamento del fascio in questo quadro specifico. In particolare, ho migliorato la routine di misura di emittenza al fine di gestire correttamente gli artefatti generati dai fasci ad alta intensità; ho sviluppato e confrontato con misure di fascio i modelli auto-consistenti di simulazione della linea di trasferimento e dell'estrazione, includendo gli elettroni secondari generati (a causa di interazioni con il fascio) sia dal gas residuo che dal metallo; ho studiato una modifica della line a media ed alta energia, in modo tale da testare il regime CW del quadrupolo a radio-frequenza (il più lungo al mondo), contributo al progetto dell'INFN. Tutti gli studi che ho effettuato e l'esperienza acquisita rappresentano un contributo importante per le prossime facility ad alta intensità. Il primo capitolo presenta la motivazione del progetto IFMIF e le principali caratteristiche richieste dall'acceleratore. Sono elencate anche le principali sfide di tale acceleratore. Il secondo capitolo introduce i concetti principali della dinamica di fascio in regime di space-charge. Il terzo capitolo presenta il progetto IFMIF/EVEDA, con una descrizione degli elementi principali dell'acceleratore; particolare attenzione è rivolta alla sorgente, la linea di trasferimento del fascio di bassa energia e del quadrupolo a radiofrequenza. La derivazione di una fromula teorica per scalare l'ottica del fascio estratto, in presenza di contaminati, viene presentata e succesivamente validata. Vengono introdotte le fasi del collaudo, ognuna con le sue specifiche sfide. Il quarto capitolo presenta la modifica ed implementazione della routine di analisi delle emittanze, la quale può gestire il segnale ottenuto con presenza di artefatti. Il quinto ed il sesto capitolo contengono i modelli di simulazione sviluppati per stimare la carica spaziale ed il comportamento del fascio in regime di neutralizzazione di space-charge: il modello con neutralizzazione costante e quello con l'evoluzione del plasma secondario vengono presentati e confrontati con le misure. Nel quinto capitolo, le misure di riferimento riguardano un fascio protonico di 60-55 mA a 50 keV, mentre nel sesto capitolo il fascio considerato è composto da deutoni di 140-135 mA a 100 keV. In questi capitoli è studiata la variazione del comportamento del fascio all'input dell'RFQ, rispetto al confinamento elettromagnetico del plasma nella linea di trasferimento a bassa energia di trasferimento. Il contributo originale in queste simulazioni è dato dall'inclusione dell'effetto degli elettroni secondari emessi dal metallo, il quale agisce direttamente sulla compensazione della carica spaziale. Viene inoltre presentato uno studio approfondito delle distribuzioni e dei comportamenti delle diverse specie presenti nella line durante il processo di neutralizzazione. Il capitolo quattro definisce, per il fascio protonico sperimentale considerato, le variazioni dei solenoidi per ottenere la massima trasmissione attraverso l'RFQ. Il comportamento del fascio in uscita dall'RFQ è stato anche esso studiato. Nel sesto capitolo, dopo aver testato la trasmissione dell'RFQ con la distribuzione di fascio ottenuta dal modello di neutralizzazione dinamica, vengono presentate le simulazioni del sistema di estrazione. Il settimo capitolo presenta il design della modifica delle line di trasferimento a media e alta energia dell'acceleratore, in modo tale da consentire il test del regime CW RFQ. I risultati di estese simulazioni Montecarlo, ottenute per stimare la robustezza del design rispetto agli errori meccanici e magnetici, sono inoltre incluse. L'ultimo capitolo riporta le conclusioni.