In questo capitolo sono state esposte le fasi di progettazione di una cella di Knudsen che verrà utilizza-ta per l’effusione controllautilizza-ta di atomi di una determinautilizza-ta specie chimica per dei test di caratterizzazio-ne di laser risonanti. Sono state inizialmente esposte le caratteristiche dell’impianto in cui la cella di Knudsen sarà inserita ed il principio di funzionamento di quest’ultima. Successivamente, ipotizzando un test di caratterizzazione termica, si è studiata una prima architettura della cella al fine di poter co-struire un modello numerico adatto per la sua ottimizzazione, effettuata al fine di ottenere la massima uniformità termica delle pareti interne. In quanto questa prima soluzione non è risultata verificata dal punto di vista strutturale, si sono modificati i connettori elettrici rendendoli flessibili, in modo da per-mettere le dilatazioni longitudinali della cella. La nuova soluzione adottata è stata analizzata in detta-glio dal punto di vista termo-elettrico ed è stata inoltre verificata dal punto di vista strutturale.
Al termine di questo lavoro rimangono comunque molti punti in sospeso, che saranno portati avanti in successivi lavori di tesi. In particolare saranno necessari:
- test di caratterizzazione termica, sia per la validazione del modello numerico che per la verifi-ca delle verifi-caratteristiche del materiale;
- progetto di dettaglio il sistema di supporto e centraggio della cella, prevedendo delle regola-zioni sia in altezza che nel piano, al fine di ottenere il suo corretto posizionamento;
- progetto del sistema di supporto e movimentazione del collimatore in tantalio;
- analisi numeriche termiche dell’intera camera, al fine di analizzare la temperatura raggiunta da ogni componente, permettendo quindi un’oculata scelta dei materiali;
Conclusioni
Il presente lavoro di tesi si è incentrato sullo studio, sviluppo e ottimizzazione della sorgente di ioniz-zazione superficiale e laser. Dopo un’introduzione dettagliata sull’architettura della sorgente, condivisa per entrambi i meccanismi di ionizzazione, sono stati presentati i principi fisici che stanno alla base del suo funzionamento. Si è posta particolare attenzione alle basi teoriche necessarie per effettuare le mi-sure sperimentali e per la trattazione dei relativi risultati. In particolare ci si è soffermati sulle princi-pali teorie che tentano di giustificare le inevitabili discrepanze tra i risultati di efficienza di ionizzazio-ne teorici e sperimentali e si sono esposti i possibili metodi per la riduzioionizzazio-ne dei contaminanti ionizzati superficialmente nel caso di ionizzazione laser.
Mediante il software Ansys® si è poi costruito un modello numerico che permette di conoscere le con-dizioni di temperatura dell’intera sorgente in esercizio: la temperatura è infatti il parametro che più influenza le prestazioni del dispositivo, in particolare per quanto riguarda l’efficienza di ionizzazione e di trasporto. Mediante l’utilizzo di un apposito apparato di test, il modello numerico è stato poi valida-to sperimentalmente in un intervallo di temperature compreso tra i 1100 e i 2200 °C, ottenendo degli errori sui risultati inferiori al 3 %.
Si è poi ottimizzata la tecnica mass-marker, utilizzata per iniettare isotopi stabili a livello del target e della sorgente di ionizzazione al fine di effettuare una taratura dei sistemi di diagnostica ed ottica di fascio e per la caratterizzare in termini di efficienza ed emittanza le sorgenti di ionizzazione. Un mass-marker consiste in una quantità calibrata di atomi inserita in un apposito riscaldatore tubolare, chia-mato oven, e fatta diffondere verso la sorgente di ionizzazione. Mediante la costruzione di un modello numerico dedicato e l’utilizzo di un apposito software per lo studio della sublimazione e decomposi-zione di un generico composto è stato possibile determinare la posidecomposi-zione ottimale di inserimento del mass-marker, tale da massimizzare il controllo sul processo di diffusione. Sono state inoltre descritte le fasi di progettazione, realizzazione e test di un apparato di purificazione ad alta temperatura degli oven.
Successivamente, dopo una descrizione dell’apparato front end, utilizzato per i test di caratterizzazione della sorgente di ionizzazione superficiale in termini di efficienza di ionizzazione ed emittanza, sono stati presentati i risultati dei test sperimentali effettuati. Le misure di efficienza di ionizzazione super-ficiale per Cs, Rb, Ba e Sr, hanno portato a dei risultati rispettivamente del 42 %, 53 %, 59 % e 18 %. Tali valori sono stati poi confrontati con le relazioni teoriche esposte in precedenza. Si è potuto inoltre verificare come la composizione del sale costituente il mass-marker e la soluzione utilizzata non influiscano in modo sensibile sul risultato finale. Si sono poi esposti i risultati di efficienza di ionizza-zione ottenuti invertendo la polarità del circuito riscaldante, al fine di effettuare uno studio prelimina-re sulla riduzione dei contaminanti ionizzati superficialmente nella RILIS. Si è mostrato come i test condotti in questo modo portino una riduzione dell’efficienza di ionizzazione superficiale pari al 70%. Sono stati inoltre presentati i risultati relativi alle misure di emittanza per la sorgente di ionizzazione superficiale al variare della sua distanza dall’elettrodo estrattore. Il valore dell’emittanza di fascio è ri-sultato essere basso ed in particolare vicino all’unità e ciò implica che, come si riscontra nella realtà, il fascio generato dalla sorgente di ionizzazione superficiale sia facile da gestire.
In quanto le sorgenti di ionizzazione superficiale e laser del progetto SPES condivideranno la stessa ar-chitettura, al fine di studiare in modo completo il dispositivo è necessario poter caratterizzare in detta-glio il fenomeno della ionizzazione mediante laser risonanti (RLI). A tal proposito è in via di sviluppo una camera Time Of Flight, che servirà per testare il rendimento dei fasci laser che verranno utilizzati in futuro per la ionizzazione selettiva dei radioisotopi fuoriuscenti dal target. Per il funzionamento di tale apparato si rende necessario uno strumento che metta a disposizione mediante effusione control-lata un numero noto di atomi da ionizzare: tale funzione verrà assolta da una cella di Knudsen. Per
Conclusioni
questo motivo si è proceduto alla progettazione di tale dispositivo, considerando che, per massimizza-re il controllo sull’effusione degli atomi della specie desiderata è necessario che la temperatura della cella sia il più uniforme possibile. Per questo motivo, partendo da determinati vincoli di progettazione, si è impostato un processo di ottimizzazione numerica mediante la costruzione di un modello dedicato. Una volta determinata la configurazione definitiva, tale da massimizzare l’uniformità termica all’interno della cella di Knudsen, si è effettuata l’analisi strutturale al fine di verificare che le dilatazio-ni termiche dovute alle alte temperature non portassero a rottura il componente.