Realizzazione del catodo

Un'altra osservazione, basata sugli stessi principi che sono già stati espressi per il punto caldo, riguarda invece la lavorazione della faccia frontale. Sebbene il catodo si presenti come un pezzo unico e sia considerato come tale al fine delle analisi, in realtà è prodotto attraverso la saldatura di tre parti come si osserva nella tavola costruttiva di fig:

La flangia di sostegno, che va in battuta con la camera di scarica;

Il corpo centrale che costituisce il canale dove fluiscono i gas che saranno poi ionizzati e che termina con la faccia frontale;

Il collare, cilindrico, che collega la flangia al corpo interno.

Figura 5.1: tavola costruttiva del catodo che ne mostra le tre diverse parti.

Le tre parti elencate sono realizzate per tornitura, ed il corpo centrale in particolare richiede un processo complicato eseguito da tecnici esperti.

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La saldatura di materiali refrattari non è un’operazione banale: il punto di fusione di questi metalli (per il Tantalio superiore ai 3000°C) e l’alta possibilità di ossidazione rende l’operazione gestibile solo con alcune tecnologie.

La più semplice ed economica è la saldatura TIG (acronimo di Tungsten Inert Gas): è una saldatura ad arco elettrico con elettrodo infusibile in Tungsteno, eseguita sotto la protezione di un fascio di gas inerte (come l’Argon o l’Elio). Può essere eseguita con o senza materiale d’apporto, a seconda dell’applicazione. Il cordone risulta spesso ed irregolare.

Una seconda metodologia è la saldatura LASER, in cui un raggio luminoso ad alta energia viene usato come fonte di calore e indirizzato sul giunto. Il cordone che si ottiene in questo caso è più sottile e regolare, ma il processo è più costoso e richiede attrezzature particolari.

Ai Laboratori Nazionali di Legnaro si sono avuti a disposizione i catodi saldati con queste due tecnologie.

L’ultimo metodo che viene considerato è la saldatura a fascio di elettroni (Electron Beam Welding) che consiste nel far attraversare la zona del giunto che si desidera unire da un fascio di elettroni, generato da un catodo ed accelerato da una differenza di potenziale esattamente come nel caso della sorgente al plasma. Gli elettroni vengono fatti impattare sul materiale, scaldandolo e fondendolo, il processo deve avvenire all’interno di una camera da vuoto. Questo metodo è il più costoso ed è quello indicato sulle tavole costruttive del catodo originale realizzate presso il CERN. Purtroppo non si è potuto testare un catodo realizzato con questa tecnologia.

Ciò che influenza maggiormente l’emissione elettronica del catodo è ancora una volta la geometria e la temperatura della faccia frontale: la saldatura con tecnologia TIG che viene fatta per collegare il collare al corpo centrale porta alla generazione di una zona irregolare e più spessa sul cordone di saldatura. Il maggiore spessore e la geometria non perfettamente piana portano a raffreddamenti locali sulla superficie, così da ridurre la corrente elettronica e rendere i rilevamenti non ripetibili. La saldatura LASER fornisce risultati migliori in termini di finitura della superficie, poiché lo spessore del cordone è ridotto e limitato alle immediate vicinanze della zona di giunzione, ma in catodi testati avevano minore resistenza strutturale e in un caso si è anche arrivati alla rottura dell’oggetto in breve tempo, nonostante le correnti riscaldanti siano sempre state tenute al di sotto di 370 A. In Figura 6.2 sono rappresentati i catodi realizzati con saldature TIG e LASER testati durante lo svolgimento di questa tesi, mentre in Figura 6.3 è mostrato il

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catodo con saldatura LASER in cui il cordone di saldatura risulta sciolto in parte dopo le prove di efficienza.

Figura 6.2: la fotografia riporta il catodo saldato LASER (a destra) con geometria più regolare, e quello saldato TIG (a sinistra) con più imperfezioni sulla faccia frontale.

Figura 6.3: rappresentazione del catodo con saldatura LASER dopo la rottura. In realtà la ionizzazione con un componente in queste condizioni è ancora possibile, ma la corrente elettronica risulta sempre decrescente col passare del tempo e l’efficienza è molto bassa, poiché la faccia continua a spostarsi all’indietro facendo scendere la soglia di Child-Langmuir. Questo catodo è stato usato nelle prove di efficienza senza bloccaggio assiale della linea di trasferimento.

Dopo che si è riscontrato dalle prove sperimentali e dall’esperienza acquisita nel tempo presso i LNL, che la geometria del cordone di saldatura sulla faccia frontale del catodo influenza già in modo marcato l’emissione di elettrone rendendo i rilevamenti della corrente elettronica accelerata verso l’anodo meno ripetibili più risulta irregolare, si è pensato di spostare la giunzione fra le due parti in una zona meno delicata dell’oggetto.

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In particolare il nuovo progetto prevede che il diametro esterno della faccia vada a coincidere con quello del collare, spostando il cordone nella zona esterna. In questo modo è possibile utilizzare la tecnologia TIG, eventualmente effettuando la rasatura del cordone per migliorare la finitura dell’oggetto finale. In Figura 6.4 è possibile notare la modifica progettata nel modello CAD, a confronto con la versione originale di ISOLDE.

Figura 6.4: nell’immagine si possono osservare le due configurazioni dei catodi. La a) a destra rappresenta la versione del CERN che è quella con cui si sono eseguite le prove. La b) a sinistra rappresenta la proposta sviluppata per il progetto SPES presso i LNL. Dal dettaglio delle sezioni posto a fianco dei modelli tridimensionali, in cui è possibile osservare il diverso punto di giunzione fra collare e corpo centrale.

Questa modifica quindi dovrebbe rendere il comportamento dell’oggetto più regolare dal punto della corrente elettronica emessa, oltre a facilitare il processo di produzione e renderlo più economico, oltre ad evitare che una saldatura mal fatta o un cordone eccessivamente spesso causino lo scioglimento localizzato del materiale come successo per l’oggetto di Figura 6.3 o un eccessivo raffreddamento che vada ad influire sull’effetto termoionico.

Tutte le decisioni prese che coinvolgono il processo realizzativo sono studiate assieme a tecnici esperti per avere una conferma della fattibilità delle modifiche proposte. Per approfondire l’argomento sulla saldatura di materiali refrattari si rimanda a [3] e [4]