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L'iniettore PIAVE

Il linac PIAVE è denominato iniettore poiché, diversamente dal Tandem, può operare soltanto congiuntamente con ALPI, che ne riceve il fascio. E’ collocato nello stesso edificio di ALPI, attiguo alle linee di trasporto del fascio, da e verso le sale sperimentali più prossime al Tandem. Anch’esso, come ALPI, è basato su cavità acceleranti superconduttive ed stato progettato interamente dai LNL . E’ operativo dal 2004.

Perché abbinare al Tandem (che può operare sia in modalità stand-alone sia come inettore di ALPI) un altro iniettore? Si è detto che il Tandem, all’interno del terminale in alta tensione, ospita lo “stripper” per aumentare lo stato di carica degli ioni iniettati ed aumentarne l’energia finale. Ebbene gli stripper, foglietti di carbonio sottilissimi, hanno una vita limitata, tanto più breve quanto più alta è la corrente di fascio (numero di particelle per unità di tempo) che vi incide e quanto più pesante è lo ione accelerato.

acc fig13Fig. 13 – Vista della piattaforma ad alta tensione (fino a 400 kV), che alloggia la sorgente ECR (in basso a sinistra), circondata da una rete di protezione elettrostatica (sorta di gabbia di Faraday)

Si ricorda incidentalmente che la massa di uno ione è determinata sostanzialmente dalla massa del suo nucleo, indicata con A unita' di massa atomica, ove A = N + Z, pari cioe' al contributo in massa degli N neutroni e Z protoni contenuti nel nucleo specifico. Tra gli elementi presenti in natura, A varia tra il valore 1, il piu' leggero (idrogeno) e il valore 238, il piu' pesante (uranio).

Ebbene, oltre A~100, ai valori di corrente di fascio iniettate all’ingresso del Tandem, la vita media dei foglietti è così breve da renderne sconsigliabile l’utilizzo: esauriti infatti i 250 stripper a disposizione in un apposito carrello manovrabile da remoto, è necessario spegnere e aprire il Tandem per sostituirli. L’apertura del Tandem implica svuotare la tank del gas di isolamento recuperandolo, effettuare l’intervento, richiudere e preparare la macchina per una successiva operazione, aumentando gradatamente la tensione di terminale fino al valore di esercizio, il tutto in 10-20 giorni di lavoro. Un uso prudente degli stripper, unito ad un limite ragionevole al valore di A, è quindi indispensabile.

Ebbene, con PIAVE tale limitazione intrinseca al valore di A non esiste più. PIAVE infatti viene iniettato da una sorgente di ioni del tipo ECR (Electron Cyclotron Resonance), in grado di produrre ioni ad alto stato di carica già all’origine, senza cioè dover preaccelerare un fascio e ionizzarlo tramite un foglietto stripper. In PIAVE la sorgente ECR è collocata all’interno di una piattaforma ad alta tensione positiva, visibile a lato in Fig. 13, con una tensione operativa di circa 250 kV che può spingersi sino a 400 kV. Lo ione altamente carico quindi, condotto fuori dalla piattaforma, ne subisce una azione repulsiva che costituisce di per sé un primo stadio di accelerazione. Tramite un canale di fascio, che comprende anche un buncher, le particelle raggiungono tre criostati in sequenza con le 10 cavità acceleranti di PIAVE.

Generare ioni altamente carichi all’origine è certamente, lo si è visto, una caratteristica molto importante per un moderno acceleratore di ioni. Uno svantaggio, tuttavia, è che le particelle si presentano all’inizio del percorso di accelerazione lineare con una velocità (quella generata dalla piattaforma a 250 kV) molto più bassa di quella che gli ioni hanno all’uscita del Tandem (dove hanno subito una accelerazione elettrostatica fino a 14,5 MV). Di conseguenza le cavità a quarto d’onda, adatte per la loro geometria e frequenza elettromagnetica propria a ricevere particelle di almeno il 4÷5% della velocità della luce, non sono utilizzabili nel primo tratto di accelerazione. E’ necessario allora ricorrere ad una struttura del tipo RFQ (Radio-Frequency Quadrupole).

acc fig14Fig. 14 – Principio di funzionamento di un RFQ. I quattro elettrodi si polarizzano (a RF) a coppie opposte, producendo un effetto netto focalizzante sul fascio che attraversa l’asse della struttura (a destra); una modulazione, identica su elettrodi opposti ma sfasata tra le due coppie, imprime una componente di accelerazione ai pacchetti di particelle lungo l’asse.

L’RFQ, inventato nell’ex Unione Sovietica alla fine degli anni ’70 del secolo scorso (da allora diffusosi molto rapidamente in moltissimi laboratori basati su acceleratori nel mondo), è in grado di combinare con estrema efficienza le funzioni di focalizzazione ed accelerazione del fascio. Si tratta, a propria volta, di una struttura cava risonante, il cui asse – lungo il quale corre il fascio – è circondato da 4 elettrodi, contrapposti a coppie, tra i quali viene generato un campo elettrico quadrupolare alternato, alla frequenza di risonanza della cavità (Fig. 14).

Questo canale, se propriamente progettato, costituisce di per sé un canale con caratteristica di focalizzazione trasversa degli ioni, grazie all’alternanza del segno della lente focalizzante lungo la struttura stessa. Per conferire alla struttura una moderata, ma fondamentale, capacità di accelerazione, viene lavorato sugli elettrodi un profilo di modulazione, identico per gli elettrodi opposti, ma sfasato di 180° tra le due coppie.

accfig16Fig. 15 – Fotografia di uno dei due RFQ superconduttivi di PIAVE, all’interno del criostato utilizzato per testarne le proprietà RF.

Questa lavorazione induce una deformazione locale del campo elettrico nella regione del fascio che, pur rimanendo in larga parte trasversa e quindi mantenendo intatte le sue proprietà di canale trasversalmente focheggiante, vi imprime una componente longitudinale (ovvero nella direzione del fascio) come una sequenza di valori debolmente acceleranti e debolmente deceleranti del campo lungo l’asse. Opportunamente progettata, questa ondulazione degli elettrodi è in grado in una prima fase di impacchettare il fascio e poi, in un processo molto graduale e progressivo, aggiungervi una componente di accelerazione che aumenta progressivamente sino all’uscita del fascio dall’RFQ.

L’RFQ di PIAVE (Fig.15) è particolare e sostanzialmente diverso da tutti gli altri sinora progettati. Infatti, come tutte le altre cavità acceleranti dei LNL, opera anch’esso in regime di superconduzione. La struttura che sostiene gli elettrodi è quindi cava, come lo sono gli elettrodi stessi, ed è mantenuta riempita di He liquido. La pre-accelerazione dalla piattaforma e l’utilizzo di un buncher esterno, a fronte di una riduzione di circa il 30% della corrente di ioni trasmessa, permette di contenerne le dimensioni longitudinale complessive entro circa 2,2 m. acc fig17Fig. 16 – Veduta dall’alto dell’iniettore PIAVE, che comprende due RFQ superconduttivi (nel criostato di colore azzurro) e otto cavità QWR (nei criostati in colore grigio sulla sinistra). Il fascio proviene dalla sorgente ECR LEGIS, e percorre l’iniettore da destra a sinistra , nella foto. Si noti in basso a destra un breve tratto di tubo del fascio e una lente di focheggiamento quadrupolare (in colore blu), che immette il fascio in PIAVE.Quindi è più agevole il compito di mantenere stabile la cavità rispetto a variazioni lente o rapide (da minuti a frazioni di secondo) della propria frequenza di risonanza, dovute soprattutto a variazioni della pressione del bagno di He o a vibrazioni meccaniche ambientali.

Eppure è stato necessario dividere l’RFQ superconduttivo (SRFQ) in due strutture separate (SRFQ1 ed SRFQ2) per raggiungere questo obbiettivo. La frequenza di risonanze degli SRFQ è 80 MHz. 

All’uscita dai due RFQ superconduttivi la velocità degli ioni (3,5% della velocità della luce) è già sufficiente per una efficiente accelerazione in cavità QWR da 80 MHz, molto simili in geometria alle prime QWR di ALPI. Ne bastano 8 (in due ulteriori criostati) per accordare la velocità di uscita dei pacchetti da PIAVE alla velocità opportuna di ingresso in ALPI. La fig. 16 mostra una vista dall’alto del compatto iniettore PIAVE, ove si riconoscono in particolare i 3 criostati, quello per gli RFQ (azzurro) e i due criostati per cavità QWR.

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