FEBIAD ion source development and geometric tolerance optimisation for advanced nuclear physics applications

Cutting-edge engineering applications are essential in advancing research within nuclear physics, where complex devices must operate reliably at extreme working conditions. This research is focused on the development of the Forced Electron Beam Induced Arc Discharge (FEBIAD) ion source, a critical instrument commonly used to perform the ionisation process of neutral atoms in Isotope Separation On-Line (ISOL) facilities to produce Radioactive Ion Beams (RIBs). RIBs are crucial for investigating the properties of unstable nuclei, supporting advances across various scientific fields, including nuclear structure, material sciences, and medical applications. The study is located within the framework of the ISOL SPES (Selective Production of Exotic Species) facility at Legnaro National Laboratories (LNL) of the Italian Institute for Nuclear Physics (INFN). The SPES facility, which is currently in its final commissioning phase, is aimed to produce RIBs employing a FEBIAD ion source, which operates at temperature above 2000°C and high-vacuum regime. The accuracy of the ion source assembly is critical for ensuring a reliable ionisation process. However, the traditional manual assembly method and manufacturing processes of the components introduced variability and uncertainties in parts positioning, leading to performance inconsistencies. Consequently, this work is aimed to enhance assembly accuracy in order to improve the reliability and performance repeatability of such a device. A systematic approach, based on Design for Assembly (DFA) principles and tolerance stack-up analysis, was employed to optimize the positioning and alignment of key FEBIAD components, particularly the cathode and anode, whose mutual distance significantly influences ionization process. Through functional and critical analyses, a tool-based assembly procedure was developed, which significatively improved the accuracy and reliability of the positioning of FEBIAD ion source components during assembly process. Furthermore, this study explored the integration of Additive Manufacturing (AM), and specifically the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology, to manufacture refractory metal components for the FEBIAD ion source. The compatibility of the LPBF technology for such an application was demonstrated following a structured procedure consisting of design methods, Finite Element (FE) simulations and experimental tests both at room and high temperature. Moreover, such a manufacturing technique was validated through off-line ionisation tests performed at CERN-ISOLDE, the worldwide reference ISOL facility. LPBF-manufactured components were exposed for the first time to realistic operational conditions and the ionisation efficiency of some reference noble gases was measured. Such promising results lay the foundations for the development of innovative ion source components, exploiting the degrees of freedom provided by the LPBF technology to overcome the inherent limitation of the current production methods. The integration of advanced manufacturing techniques, such as LPBF, with systematic assembly procedures and innovative experimental setups, could significantly improve the repeatability and reliability of the FEBIAD ion source performance. As the SPES facility approaches full operational capacity, the innovations developed through this research will be useful to enhance the efficiency and effectiveness of its radioactive ion beam production capabilities.

Le applicazioni ingegneristiche all’avanguardia sono essenziali per il progresso della ricerca in fisica nucleare, dove dispositivi complessi devono operare in modo affidabile anche in condizioni di lavoro estreme. Questa ricerca si concentra sullo sviluppo della sorgente di ionizzazione Forced Electron Beam Induced Arc Discharge (FEBIAD), uno strumento fondamentale comunemente utilizzato per ionizzare atomi neutri negli impianti Isotope Separation On-Line (ISOL) al fine di produrre fasci ionici radioattivi (Radioactive Ion Beams, RIBs). I RIBs rivestono un ruolo cruciale nello studio delle proprietà dei nuclei instabili, favorendo progressi in diversi ambiti scientifici, tra cui la struttura nucleare, le scienze dei materiali e le applicazioni mediche. Questo studio è condotto nell’ambito della facility ISOL SPES (Selective Production of Exotic Species) presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). L’infrastruttura SPES, attualmente nella fase finale di commissioning, è progettata per produrre RIBs utilizzando una sorgente di ionizzazione FEBIAD, operante a temperature superiori ai 2000°C e in regime di alto vuoto. L’accuratezza nell’assemblaggio della sorgente di ionizzazione è fondamentale per garantire un processo di ionizzazione affidabile. Tuttavia, il metodo tradizionale di assemblaggio manuale e i processi di fabbricazione dei componenti introducono variabilità e incertezze nel posizionamento delle parti, causando inconsistenze nelle prestazioni. Pertanto, questo lavoro si propone di migliorare l’accuratezza dell’assemblaggio per incrementare l’affidabilità e la ripetibilità delle prestazioni del dispositivo. È stato adottato un approccio sistematico basato sui principi del Design for Assembly (DFA) e sull’analisi delle catene di tolleranze per ottimizzare il posizionamento e l’allineamento dei principali componenti della sorgente FEBIAD, in particolare catodo e anodo, la cui distanza reciproca influenza significativamente il processo di ionizzazione. Attraverso analisi funzionali e critiche, è stata sviluppata una procedura di assemblaggio basata su strumenti dedicati, che ha migliorato in modo significativo la precisione e l’affidabilità del posizionamento dei componenti della sorgente FEBIAD durante l’assemblaggio. Inoltre, questo studio ha esplorato l’integrazione dell’Additive Manufacturing (AM), in particolare della tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF), per la produzione di componenti in metallo refrattario destinati alla sorgente FEBIAD. La compatibilità della tecnologia LPBF per tale applicazione è stata dimostrata seguendo una procedura strutturata che comprende metodi di progettazione, simulazioni agli elementi finiti (Finite Element, FE) e test sperimentali sia a temperatura ambiente che a temperature elevate. Tale tecnica di produzione è stata validata attraverso test di ionizzazione off-line condotti presso CERN-ISOLDE, il riferimento mondiale per facility operanti con tecnologia ISOL. I componenti prodotti con LPBF sono stati esposti per la prima volta a condizioni operative realistiche e l’efficienza di ionizzazione di alcuni gas nobili di riferimento è stata misurata. I risultati promettenti ottenuti pongono le basi per lo sviluppo di componenti innovativi per sorgenti di ionizzazione, sfruttando i gradi di libertà offerti dalla tecnologia LPBF per superare i limiti intrinseci dei metodi di produzione attuali. L’integrazione di tecniche avanzate di manifattura, come la LPBF, con procedure di assemblaggio sistematiche e configurazioni sperimentali innovative, potrebbe migliorare significativamente la ripetibilità e l’affidabilità delle prestazioni della sorgente FEBIAD. Man mano che la facility SPES si avvicina alla piena operatività, le innovazioni sviluppate in questo lavoro contribuiranno a incrementare l’efficienza e l’efficacia della produzione di fasci ionici radioattivi.