Il modello geometrico completo dedicato alla sorgente di ionizzazione al plasma, come è possibile vedere dalla figura 4.1, presenta numerose differenze rispetto al modello più semplice visto in precedenza, in particolare sono presenti:
Nuova scatola target.
Target con dischi in carburo di Silicio di spessore variabile. Il morsetto in Rame inferiore.
La sorgente di ionizzazione al plasma. Il sistema di collimazione del fascio primario. La valvola da vuoto.
Il tratto finale del canale protonico.
Il dumper in grafite all’interno della flangia chiusa per il monitoraggio del target.
Figura 4.1: Vista sezionata del CAD completo del sistema target-ion source dedicato alla sorgente di ionizzazione al plasma per analisi FEM.
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Il blocco target, visibile in figura 4.2, è sostanzialmente lo stesso utilizzato nel modello per la validazione dell’approccio FEM, in particolare i componenti in Tantalio e i morsetti non sono stati modificati, mentre numerosi aggiornamenti sono stati apportati alla scatola target e ai dischi in essa contenuti, che differiscono sensibilmente dalla versione presentata nel capitolo scorso.
Figura 4.2: CAD del blocco target per analisi FEM.
Nell’ottica di riprodurre fedelmente la configurazione che verrà usata on-line lo spessore è stato ridotto in favore del diametro interno, e i dischi target, che prima erano in grafite e di spessore costante di 1,3 mm, ora sono in carburo di Silicio e presentano spessore decrescente. Il carburo di Silicio sarà il primo materiale di costruzione del target, perché la maggior parte degli isotopi radioattivi con esso prodotti presentano un tempo di emivita significativamente inferiore a quello degli elementi prodotti utilizzando il carburo di uranio, e comporta una minore attivazione dell’area di produzione SPES poiché è un materiale non fissile. Nello specifico con questo materiale è possibile estrarre un fascio di 26Al. La modifica della scatola target ha lo scopo di facilitare l’effusione delle specie prodotte verso la linea di trasferimento, mentre lo spessore decrescente dei dischi è dovuto al fatto che i protoni rilasciano in maniera disomogenea la loro energia durante la loro penetrazione nel materiale target. In particolare depositano la maggior parte della potenza negli ultimi millimetri. Per evitare un eccessivo surriscaldamento e quindi rottura dei dischi è necessario diminuirne progressivamente lo spessore.
In questa nuova configurazione la scatola target, visibile in figura 4.3, è stata suddivisa in 3 volumi distinti: un corpo cilindrico cavo esterno e due cilindri cavi uguali posti all’interno in corrispondenza delle finestre e dei dumpers, detti spacers.
Figura 4.3: Sezione del CAD della nuova scatola target con dischi in carburo di Silicio e spessore decrescente per analisi FEM.
Nella tabella seguente sono riportati i parametri geometrici dei dischi; per spaziatura si intende la distanza della superficie destra del generico disco da quella del disco precedente.
Componente Diametro Spessore Spaziatura
mm mm mm Disco 1 13 1 0 Disco 2 13 0,9 3,3 Disco 3 13 0,9 4,3 Disco 4 13 0,8 4,3 Disco 5 13 0,7 6,3 Disco 6 13 0,6 6,3 Disco 7 13 0,5 6,3
Tabella 4.1: Parametri geometrici dei dischi del target.
La sorgente di ionizzazione al plasma utilizzata nel progetto SPES è di tipo FEBIAD (“forced
electron beam induced arc discharge”), all’interno della quale gli isotopi radioattivi vengono ionizzati
tramite l’urto con un plasma di elettroni. La schematizzazione adottata per le simulazioni FEM è visibile in figura 4.4:
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Il blocco camera adottato nel modello in esame presenta gli stessi componenti del modello semplificato visto nel capitolo scorso, ovvero il piatto, il coperchio, i puntali elettrici e le flange, con le due sole differenze che qui sono stati aggiunti il prolungamento del piatto della camera nella direzione del fascio radioattivo RIB (plate cylinder), con lo scopo di creare le giuste condizioni al contorno per la sorgente di ionizzazione nei confronti della scambio termico per irraggiamento, e il
dumper per il monitoraggio del target (fig 4.5).
Figura 4.5: Vista sezionata del CAD del blocco camera per analisi FEM.
Il sistema di collimazione, mostrato in figura 4.6, la cui progettazione verrà presentata nel capitolo 5, è un componente molto importante che verrà alloggiato all’ingresso della camera target in corrispondenza della flangia di ingresso (a sinistra in figura 4.1), e che ha il compito di tagliare le code del fascio primario; in questo modo il fascio protonico incidente sul target avrà lo stesso diametro dei dischi e non andrà a colpire altri componenti. È composto da 5 elementi: il collimatore (collimator), due soppressori di elettroni secondari (secondary electron suppressors) e due anelli di allumina (alumina rings).
Al fine di creare le corrette condizioni al contorno in cui opera il sistema di collimazione, affianco al blocco camera è stato aggiunto il tratto finale del canale protonico (protonic channel) assieme alla flangia raffreddata (cooled flange) e alla valvola da vuoto (vacuum valve) (fig 4.7). In particolare il circuito di raffreddamento della flangia a monte della valvola da vuoto è molto importante perché il collimatore sarà investito dal fascio primario e sarà oggetto di un forte riscaldamento. Il tratto di tubo con cui è stato schematizzato il canale protonico invece fa da condizione al contorno nei riguardi dello scambio termico per radiazione; se non fosse presente il sistema di collimazione irraggerebbe nel vuoto.
Figura 4.7: Sezione del CAD di canale protonico, flangia raffreddata, valvola da vuoto e sistema di collimazione per analisi FEM.
4.2.2: La mesh
Di seguito vengono presentate le mesh adottate per i principali sottoassiemi del sistema target-sorgente (fig 4.8); la suddivisione in elementi dei componenti che erano già presenti nel modello semplificato non è stata modificata.
Figura 4.8: Vista sezionata della discretizzazione in elementi del sistema completo target-ion source relativo alla sorgente di ionizzazione al plasma.
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La discretizzazione del blocco target (fig 4.9) non presenta differenze rispetto a quella del modello semplificato, mentre le dimensioni di elemento per la sorgente di ionizzazione derivano da precedenti lavori all’interno del progetto SPES e sono riportate nella tabella 4.2 [14]. Essendo la sorgente attraversata da un circuito di corrente è stata realizzata con elementi SOLID226.
Figura 4.9: Discretizzazione in nodi ed elementi del blocco target e della sorgente di ionizzazione al plasma.
Componente Materiale Tipo elemento Dimensione elemento [m]
Anode Ta SOLID 226 0,0013
Anode Extractor Ta SOLID 226 0,0008
Anode Insulators Al2O3 SOLID 226 0,0018
Anode Grid Mo SOLID 226 0,0017
Cathode Ta SOLID 226 0,0013
Extractor Ta SOLID 226 0,001/0,0005
Discharge Chamber Ta SOLID 226 0,003
Cathode Ferrule Ta SOLID 226 0,0032
Extraction Ferrule Ta SOLID 226 0,0032
Graphite Support C_EDM3 SOLID 226 0,0058
Tabella 4.2: Dimensione di elemento e materiale adottati per i componenti della sorgente di ionizzazione al plasma.
Di seguito è mostrata la mesh dei nuovi componenti aggiunti al modello, ovvero il tratto finale del canale protonico, la flangia raffreddata, la valvola da vuoto e il sistema di collimazione; la dimensione di elemento adottata è riportata nella tabella 4.3.
Figura 4.10: Vista sezionata della discretizzazione del canale protonico con la flangia raffreddata, della valvola da vuoto e del sistema di collimazione.
Componente Tipo elemento Dimensione elemento
[m]
Protonic Channel A316L SOLID 90 0,02
Cf din 63 b A316L SOLID 90 0,02
Conic Entrance Al6082 SOLID 90 0,02
Cooled Flange Cooling Channel
Al6082 SOLID 90 0,02
0,005
Vacuum Valve Al5083 SOLID 90 0,02
Suppressor 1 C_ATJ SOLID 90 0,005
Suppressor 2 C_ATJ SOLID 90 0,005
Collimator C_ATJ SOLID 90 0,005/0,001
Alumina Rings Al2O3 SOLID 90 0,005
Tabella 4.3: Dimensione di elemento e materiale utilizzato per i componenti del sistema di collimazione.