LA SORGENTE DI IONIZZAZIONE AL PLASMA PER IL PROGETTO SPES
2.7. Parametri di lavoro: efficienza ed emittanza
Nel corso dei precedenti paragrafi si è parlato più volte delle prestazioni della sorgente di ionizzazione utilizzando il termine efficienza, senza però definirlo in dettaglio.
Chiamiamo efficienza di ionizzazione della sorgente FEBIAD il rapporto tra il numero di atomi di un certo elemento da ionizzare che è possibile estrarre dalla sorgente stessa e il numero di atomi dello stesso elemento immessi nel sistema. In formule:
𝑒. 𝑖. = 𝑎.𝑢.
𝑎.𝑖.; (2.6)
dove è stato definito a.u. il numero di particelle in uscita che si riescono ad estrarre ed a.i. il numero di particelle in ingresso. Quindi l’efficienza è una sorta di rendimento, e si capisce che più il suo valore è alto, maggiore è l’efficacia con cui si riescono ad estrarre ioni radioattivi, e maggiore sono le possibilità di poter ionizzare anche elementi critici come isotopi con tempo di decadenza molto breve. Il lavoro svolto durante lo svolgimento di questa tesi sarà incentrato proprio ad ottimizzare questo parametro, oltre che ad esaminare l’oggetto dal punto di vista termico e strutturale, per cercare di riprogettarlo in modo da avere un miglior comportamento in termini di durata ed efficienza.
L’efficienza non è l’unico parametro da considerare se si vuole ottenere una caratterizzazione completa della Sorgente di Ionizzazione: anche l’emittanza è un fattore che incide in modo marcato sul comportamento del sistema.
Con la parola emittanza ci si riferisce ad una proprietà di un fascio di cariche elettriche, come quello che viene estratto dalla sorgente. Misura la dimensione e l’espansione di tale
47
fascio nello spazio delle fasi, con coordinate posizione e quantità di moto [9]. Se ha un valore basso, significa che le particelle avranno una coordinata simile nello spazio (quindi il fascio sarà compresso in un’area piccola se consideriamo la sua dispersione in un piano perpendicolare alla direzione con cui procede) e quantità di moto simile fra loro, perciò procederanno tutte in una direzione comune. Si capisce come una piccola emittanza fornisca un fascio migliore da gestire. Per rappresentare lo sviluppo del fascio di ioni occorre una forma semplice; siccome il fascio ha distribuzione di tipo gaussiano in entrambe le coordinate dello spazio delle fasi, e la rappresentazione di tale distribuzione in un sistema bidimensionale è composta da ellissi, un’ellisse è il modo più ovvio di descrivere l’emittanza. Si costruisce perciò un grafico, come quello in Figura 2.12, dove si riportano tutti i parametri che indicano lo sviluppo del fascio.
Figura 2.12: rappresentazione dell’ellisse dell’emittanza; i fattori α, β, γ sono noti come parametri di Twiss e definisco l’orientamento e la scala, ϵ definisce l’area dell’ellisse, R1 ed R2 sono i raggi [12].
Questo parametro dipende dalla geometria della sorgente, dell’elettrodo estrattore e dalle condizioni del plasma.
In questa tesi il valore dell’emittanza non sarà considerato per quanto riguarda l’ottimizzazione, poiché il suo esame comprende nell’analisi anche l’apparato di estrazione esterno alla sorgente; tuttavia bisogna sempre tener presente che per la scelta dell’oggetto che poi sarà montato in linea per il progetto SPES, il valore di questo parametro diventa cruciale in quanto incide sulla possibilità della gestione e del controllo del fascio di ioni radioattivi.
48
2.8. Conclusioni
La descrizione dello stato di Plasma, assieme alla comprensione dei fenomeni che ne regolano il comportamento e dei parametri che ne descrivono lo stato, ci dà uno strumento per poter approcciare lo studio della sorgente di ionizzazione al plasma con la consapevolezza che le scelte di progetto che saranno prese avranno sul sistema in esame. Inoltre la descrizione dei meccanismi di ionizzazione per impatto di elettroni ed in particolare dei vari tipi di catodi, ci permette di capire in che modo sia possibile un miglioramento del progetto della sorgente al plasma in uso presso i Laboratori di Legnaro. In quest’ottica, la descrizione della attuale versione della sorgente è stata inserita perché si capisca in che direzione sono state effettuate le scelte progettuali che saranno descritte nei successivi capitoli e perché ci sia concentrati su degli elementi in particolare, uno su tutti il catodo in Tantalio. La trattazione è stata svolta dal punto di vista di un laureando in Ingegneria e non di un fisico, perciò per eventuali approfondimenti si rimanda alle fonti citate.
49
Bibliografia
[1]. Bernhard Wolf, Handbook of Ion Source, 1995, CRC Press.
[2]. Laura Cavaletto, Studio dei meccanismi di ionizzazione e della formazione del plasma in una sorgente per il progetto SPES dei Laboratori INFN di Legnaro, Tesi di Laurea Magistrale, Università degli Studi di Padova, 2012/2013.
[3]. Francis F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, 1984, KA/PP.
[4]. L. Pesescu, R. Catherall, J. Lettry, T. Stora, Numerical Simulation of Space Charge Effects and Plasma Dynamics for FEBIAD Ion Source, Elsevier, 2008. [5]. L. Pesescu, T. Stora, J. Lettry, G. Catadanil, R. Catherall, Arc Discharge Ion Source Development at CERN ISOLDE, U.P.B. Sci. Bull, Series A, 2010.
[6]. L. Pesescu, R. Catherall, J. Lettry, T. Stora, Development of High efficiency Versatile Arc Discharge Ion Source at CERN ISOLDE, AIP Review id Science Instruments, 2010.
[7]. M. Manzolaro, A.Andrighetto, G. Meneghetti, A. Monetti, D. Scarpa, M. Rossignoli, J. Vasquez, S. Corradetti, M. Calderolla, G. Prete, Characterization of the FEBIAD Ion Source for the SPES Facility, 2013.
[8]. A. Monetti, Studio, Simulazione e Test di un Apparato per la Produzione di Fasci Radioattivi, Tesi di Laurea Magistrale, Università degli Studi di Padova, 2011/2012. [9]. A. T. Forrester, Large Ion Beam – Foundamentals of Generation and Propagation, Wiley Interscience Pubblication, 1988.
[10]. M. Manzolaro, Study, Design and Test of the Target – Ion Source System for the INFN SPES Facility, Tesi di Dottorato, Università degli Studi di Padova, 2010. [11]. «Wikipedia,» Indirizzo: http://wikipedia.org.
[12]. T. Kalvas, Beam Extraction and Transport, Department of Physics, University of Jyväskylä, 40500 Jyväskylä, Finland, 2014.
51