Study and design of ion beam production devices for the SPES project

La struttura della materia e più in generale le leggi fisiche che governano l’universo hanno sempre attirato l’attenzione da parte della comunità scientifica nell’ambito della fisica nucleare, soprattutto per quanto riguarda la struttura del nucleo atomico. La ricerca in questo ambito scientifico ha portato a forti sviluppi nella scienza applicata e nelle tecnologie utilizzate in ambito industriale e medico. Uno dei laboratori più importanti a livello mondiale è il CERN (Ginevra-Svizzera), il quale ospita uno dei più complessi apparati scientifici per la ricerca in questo settore. Negli ultimi decenni in Italia, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha partecipato nella condivisione e nello sviluppo congiunto di attività di ricerca che hanno portato alla nascita di nuovi progetti. In particolare, a Legnaro (Padova-Italia), il progetto SPES (Selective Production of Exotic Species) propone lo sviluppo di dispositivi per la produzione selettiva di faci di ioni radioattivi cosiddetti neutron rich. La costruzione della facility, che costituirà l’insieme delle apparecchiature per concretizzare il progetto in questione, coinvolge molteplici gruppi di lavoro, ognuno con competenze disciplinari molto diverse fra loro e coinvolge più enti e istituzioni come l’Università degli Studi di Padova (Italia), il Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA, Germany), Isoltope Separation On Line Device project (ISOLDE-CERN, Svizzera), Oak Ridge National Laboratory (ORNL, USA) e iThemba LAB (Sud Africa) Le sorgenti di ionizzazione per la produzione di fasci di ioni esotici (RIBs) devono essere caratterizzate da alta efficienza e selettività. Le sorgenti in questione devono altresì operare ad una temperatura stabile di circa 2000°C. Il complesso camera target accoppiato alla sorgente di ionizzazione opportuna determina l’intensità, ovvero il numero di particelle che si riescono ad ionizzare, e la qualità del fascio prodotto. A tal fine, in molte facility, sono molte le sorgenti di ionizzazioni usate per raggiungere tale scopo: le più comuni sono la sorgente di ionizzazione superficiale, la sorgente al plasma e la sorgente laser. Quest’ultima, basata sul metodo di ionizzazione RILIS (Resonant Laser Ionization technique) è quella che garantisce elevata efficienza di produzione ed elevata selettività. La selettività della sorgente laser, ovvero la capacità di non ionizzare specie atomiche indesiderate, è influenzata dalla ionizzazione superficiale. Ciò avviene dal momento che alcuni componenti di cui tale sorgente è costituita, una volta portati ad elevate temperature, possono ionizzare superficialmente alcune specie atomiche del primo e secondo gruppo della tavola periodica. Questo lavoro si concentra sullo sviluppo di un apparato sperimentale (Laser Front End) che permette di stimare l’efficienza di ionizzazione laser in assenza di contaminanti dovuti ad altri meccanismi di ionizzazione, fornendo così informazioni importanti per il funzionamento della facility. Oltre al Laser Front End, dispositivi ancillari sono stati sviluppati, costruiti e testati. Il Capitolo 1 fornisce informazioni generali sulle facility di tipo ISOL, le loro applicazioni e una panoramica del progetto SPES. Il Capitolo 2 descrive le fasi progettuali del Laser Front End, con particolare attenzione alla cella di Knudsen. Il Capitolo 3, verrà presentato lo sviluppo e la riprogettazione del tripletto di quadrupoli elettrostatico, essenziale per focalizzare i fasci di ioni. Nel Capitolo 4, è descritta la progettazione e lo sviluppo del sistema da vuoto e infine il sistema di recupero dei gas radioattivi. In conclusione, nel Capitolo 5 sono descritte le fasi relative alla riprogettazione di un giunto flessibile, la cui rottura a fatica è stata osservata in condizioni di funzionamento nominali.