Caratterizzazione sperimentale della sorgente di ionizzazione superficiale presso l’apparato di test front end

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Il sistema di estrazione e focalizzazione del fascio

Dietro la camera target è posizionato il sistema di estrazione del fascio: il telaio che sostiene il canale di passaggio è collegato ad un trasformatore che genera una differenza di potenziale solitamente pari a 25 KV fra la camera target e il sistema di estrazione. Come già detto, quando il front end sarà montato nella facility SPES per la produzione dei RIB, tale differenza di potenziale sarà invece pari a 40 KV.

Fig. 5.3 Il sistema di messa a potenziale e di estrazione del front end.

All’interno del canale è posto l’elettrodo estrattore (o puller). Esso è collegato elettricamente a terra e ha una forma tale da generare un campo elettrostatico che permette di convogliare gli ioni accelerati verso i tratti successivi dell’impianto. È dotato inoltre di un sistema di movimentazione assiale che permette una variazione delle caratteristiche del fascio (in particolare dell’emittanza, ma anche dell’intensità di corrente).

Il fascio di ioni estratto dalla camera target è composto da particelle che viaggiano con direzioni diver-se e la sua diver-sezione ortogonale all’asdiver-se può occupare un’area più o meno estesa. Il fascio deve comunque poter attraversare tutto l’apparato di test front end senza andare ad impattare lungo le pareti del con-dotto. Per questo motivo sono necessari dei dispositivi di correzione sulla forma e sul centraggio del fascio.

Deflettori

I deflettori (o steerers) sono dei dispositivi necessari per il centraggio del fascio quando esso non risul-ta allineato. Essi sono formati da una serie di quattro schermi elettrosrisul-tatici che permettono di traslare il fascio in direzione orizzontale e verticale (vedi Fig. 5.4).

Tripletto

Oltre al centraggio, gestito interamente dagli steerers, il fascio deve risultare accuratamente focalizzato per essere rilevato dagli strumenti di diagnostica. A tal fine viene utilizzato il tripletto (Fig. 5.5), com-posto da tre quadrupoli elettrostatici che servono a comprimere il fascio in una direzione ortogonale all’asse: in questo modo, regolando il potenziale sulle piastre, è possibile focalizzare il fascio alla di-stanza dall’estrazione desiderata. È inevitabile che le focalizzazioni in un piano deformino il fascio nella direzione complementare, ma grazie a strizioni del fascio fatte in successione, è possibile ridurre glo-balmente la sezione del fascio.

Capitolo 5

Fig. 5.4 Schema di funzionamento dei deflettori.

Fig. 5.5 Schema di funzionamento del tripletto a quadrupoli.

Wien filter

Il Wien filter è composto da un’armatura e da un elettromagnete che hanno il compito di generare un campo elettromagnetico, necessario al fine di selezionare le particelle di massa diversa in base alla ve-locità. Il fascio di ioni che viene estratto è composto da particelle che hanno velocità con direzione ret-tilinea coincidente con l’asse della sorgente. La velocità e la massa sono legate dalla relazione seguente, che lega energia cinetica ed elettrica:

𝑞𝑉 =

2

𝑚𝑣

q è la carica della particella espressa in coulomb. Poiché la sorgente di ionizzazione superficiale è in grado di ionizzare atomi allo stato 1+, si pone q = e = 1.602*10-19 C. V è la differenza di potenziale con cui lo ione viene accelerato, ovvero 25 kV mentre m è la massa dell’atomo e v è la sua velocità, dati

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superficiale presso l’apparato di test front end

79 trambi incogniti. Quando la particella carica entra in un campo elettrico è soggetta ad una forza 𝐹_𝐸

⃗⃗⃗⃗ = q𝐸⃗ , dove 𝐸⃗ è il vettore campo il cui modulo è espresso in V/m. Anche per un campo magnetico vale una formulazione simile, tuttavia, stavolta la forza è espressa dalla formula di Lorentz, cioè 𝐹⃗⃗⃗⃗ = 𝑣 x 𝐵⃗ , 𝐵 dove 𝐵⃗ è il vettore campo magnetico.

Fig. 5.6 Rappresentazione dei vettori delle forze elettrica e magnetica e della velocità della particella ionizzata.

Se si dispongono gli avvolgimenti e l’armatura in modo che il campo magnetico, il campo elettrico e la velocità risultino ortogonali fra di loro, come mostrato in Fig. 5.6, si ottiene che le forze elettrica e ma-gnetica hanno stessa direzione ma verso opposto e la forza di Lorentz si può esprimere semplicemente come FB = vB. Si può quindi, annullando la somma vettoriale delle due forze, dire che:

𝑣 =

𝐵

ed è per questo motivo che lo spettrometro è considerato un filtro in velocità.

Gli ioni del fascio passano attraverso l’analizzatore, costituito da un tubo cilindrico disposto nell’elettromagnete. La sola forza magnetica agirebbe sullo ione deviandolo e costringendolo a percor-rere una traiettoria circolare di raggio r, la forza centrifuga, che verrà eguagliata da quella centrifuga, è quindi uguale a:

𝐵

=

𝑉

Considerando le relazioni esposte sopra, si capisce che, poiché gli ioni hanno tutti singola stessa carica a masse diverse corrispondono a velocità diverse. Quindi per differenziare i vari elementi che compon-gono il fascio basta variare il campo magnetico, agendo sulla corrente negli avvolgimenti, così da varia-re la forza di Lovaria-rentz e selezionando quindi di volta in volta masse diverse.

La presenza nello stesso fascio di ioni di particelle con massa simile fa sì che se le forze elettrica e ma-gnetica non sono molto elevate la risoluzione dello spettrometro sia modesta, al punto da non rendere distinguibili due specie diverse. Ciò è dovuto anche al fatto che, come già detto, gli ioni scorrono in tubo aperto alle estremità, perciò anche se deviate leggermente alcune particelle potrebbero passare e an-dare ad essere rilevate dalla seconda stazione di diagnostica. Per evitare questo fenomeno si usano due slitte, che non sono altro che due saracinesche la cui distanza può essere impostata a piacere. Facendo in modo che vi sia una luce molto sottile fra le due slitte, si potrà permettere il passaggio solo alle par-ticelle che viaggiano in direzione rettilinea, fermando le altre.

Il sistema descritto permette dunque di filtrare il fascio, lasciando passare quindi verso la seconda box di diagnostica solo gli ioni desiderati. Grazie a questo dispositivo è inoltre possibile effettuare dei mass scan, ovvero delle prove ottenute variando in modo continuo la corrente di magnete del Wien filter e registrando parallelamente la corrente di fascio rilevata nella seconda box di diagnostica: in questo modo si può ottenere l’andamento della corrente di fascio in funzione della corrente di magnete (e quindi della massa degli ioni) corrispondente. È quindi possibile in questo modo determinare la purez-za del fascio, dando una stima accurata sulla presenpurez-za di contaminanti.

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