Per sorgenti RILIS con architettura a hot-cavity, la ionizzazione superficiale, sempre presente, può dar luogo a dei contaminanti isobari, aventi cioè la stessa massa degli isotopi di interesse e quindi più diffi-cili da separare. Si ha quindi che, per i molti isotopi che possono essere ionizzati mediante la RILIS, la purezza del fascio radioattivo generato può essere più o meno compromessa in funzione dell’ammontare della produzione di radioisotopi a basso potenziale di ionizzazione che vengono ioniz-zati in modo molto efficiente superficialmente. In questi casi, la purezza del fascio potrebbe risultare compromessa e, per evitare ciò, risulta necessario prendere delle accurate precauzioni, descritte di se-guito.
i - Riduzione dell’efficienza di ionizzazione superficiale [6]
Nel paragrafo 2.6 si sono dettagliatamente descritti i fattori che influenzano l’efficienza di ionizzazione superficiale. Osservando l’equazione di Saha-Langmuir (eq. 2.9) è possibile notare che la resa di ioniz-zazione superficiale può essere diminuita essenzialmente in due modi: abbassando la temperatura del-la hot-cavity o scegliendo un materiale per del-la sua costruzione con una più bassa funzione di del-lavoro Φ. Il primo metodo risulta irrealizzabile: come più volte detto, infatti, le alte temperature in gioco si rivela-no necessarie per minimizzare i tempi di effusione e evitare la condensazione dei radioisotopi prodotti. D’altro canto, la scelta del materiale che costituisce la hot-cavity si può rivelare una scelta migliore. Os-servando infatti la Tab. 2.1, come esistano materiali con funzioni di molto minori rispetto a quelle dei materiali generalmente utilizzati (W, Ta). Presso il CERN sono stati effettuati dei test off-line al fine di verificare la fattibilità della soluzione realizzando la hot-cavity in diversi materiali (GdB6, riscaldata in-direttamente e W con rivestimento in BaO+SrO [21]). È stata registrata un’importante riduzione della ionizzazione superficiale con delle modeste perdite in termini di efficienza di ionizzazione laser. In test effettuati on-line, tuttavia, non è stato ottenuto lo stesso risultato: la causa di ciò è stata attribuita alla formazione di ioni già all’interno del target e della transfer line [21].
Le sorgenti di ionizzazione hot-cavity
37 ii - Separazione spaziale degli ioni prodotti superficialmente e tramite laser [6]
Se il processo di ionizzazione laser ha luogo fuori dalla hot-cavity, è possibile respingere gli ioni pro-dotti superficialmente posizionando dopo l’uscita della cavità un opportuno elettrodo, caricato positi-vamente rispetto ad essa. Dopo di esso si può quindi in questo modo creare una zona con l’assenza di isotopi ionizzati superficialmente. Ovviamente è necessaria una progettazione accurata del sistema in quanto c’è il rischio di diminuire l’efficienza della ionizzazione laser stessa, considerando che la so-vrapposizione geometrica del laser con gli isotopi uscenti dalla hcavity si sposta dalle condizioni ot-timali (ovvero del laser che occupa tutta la cavità).
iii - Separazione temporale degli ioni prodotti superficialmente e tramite laser [6]
Questo metodo può essere implementato sfruttando la struttura temporale del laser pulsante ed utiliz-zando un beam-gate sincronizzato con la pulsazione del laser. La tecnica appena descritta prende il nome di ToFLIS.
iv - Inversione della polarità del circuito della sorgente di ionizzazione [22] [23]
Questa tecnica sfrutta il potenziale elettrostatico che si genera all’interno di hot-cavity e transfer line grazie alla caduta di potenziale dovuta alla resistenza del circuito riscaldante. In condizioni di polarità normale (potenziale elettrico decrescente verso l’uscita della sorgente di ionizzazione) uno ione verrà spinto verso l’elettrodo estrattore. In caso di polarità invertita (potenziale elettrico crescente verso l’uscita della sorgente di ionizzazione) invece, uno ione verrà estratto solo se si trova nella parte ter-minale della cavità, in cui penetra il campo elettrico generato dell’elettrodo estrattore. Le dimensioni di questa zona dipendono ovviamente dal diametro della hot-cavity, dal potenziale di estrazione e dalla distanza dell’elettrodo estrattore. È possibile quindi respingere verso il target gli ioni prodotti prima di essa (supponendoli quasi totalmente formati tramite ionizzazione superficiale) mediante l’inversione della polarità del circuito riscaldante. Tuttavia, il volume di interazione del fascio laser con la zona in cui penetra il campo elettrico generato dall’elettrodo estrattore potrebbe non risultare sufficiente, por-tando a basse efficienze di ionizzazione laser. Per evitare ciò è possibile prevedere una configurazione leggermente diversa, come mostrato in Fig. 2.14.
Fig. 2.14 Inversione della polarità della corrente riscaldante nella transfer line.
Con questa configurazione, in cui solo la hot-cavity è polarizzata direttamente, si ha un aumento del vo-lume di estrazione degli isotopi ionizzati mediante la tecnica RILIS. Si ha anche tuttavia una più
mode-Capitolo 2
sta soppressione degli isotopi ionizzati superficialmente: verrebbero infatti respinti verso il target solo gli ioni prodotti prima della hot-cavity.
Conclusioni
Questo capitolo ha lo scopo di esporre i meccanismi fondamentali che governano le ionizzazioni super-ficiale e laser, al fine di fornire una solida base per la trattazione dei risultati ottenuti dai test speri-mentali (vedi Capitolo 4). Innanzitutto è stato descritto il sistema TIS e, in particolare, la sorgente di ionizzazione superficiale e laser del progetto SPES. Durante l’estrazione degli isotopi radioattivi, en-trambi i meccanismi di ionizzazione condivideranno la stessa architettura di sorgente. Si sono succes-sivamente introdotti i principi fondamentali della ionizzazione, con riferimento alle proprietà chimiche degli elementi che la influenzano. Si è poi entrati nel dettaglio per quanto riguarda la ionizzazione su-perficiale, introducendo la ben nota equazione di Saha-Langmuir, grazie alla quale è possibile stabilire la resa di ionizzazione superficiale nel caso di un singolo urto su superficie piana. I valori sperimentali risultano tuttavia molto più elevati: a tal proposito si sono introdotte le teorie più accreditate che ten-tano di giustificare questo fenomeno. Si poi sono introdotti i principali parametri di influenza per quanto riguarda l’efficienza di ionizzazione superficiale e, infine, sono stati descritti i principi fonda-mentali della tecnica RILIS, ponendo particolare attenzione alle tecniche per la riduzione dei contami-nanti ionizzati superficialmente.