Study, design and test of the Target - Ion Source system for the INFN SPES facility

Since the beginning of the twentieth century nuclear physics explores the behaviour and the stability of nuclei, each time facing new scientific and technological challenges. The complex technologies specifically developed to support research in the field of nuclear physics have often led to important applications in medicine, industry, applied physics, influencing sometimes in a deep way the society: the birth of the “web” at CERN is an emblematic example. Over the years Europe has become a leader in the field of nuclear physics research: CERN is the world's largest particle physics laboratory, situated in the Northwest suburbs of Geneva on the Franco–Swiss border, and Italy, with INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), is one of its main members. In Italy, one of the most important projects supported by INFN is the so-called SPES (Selective Production of Exotic Species) project that is intended to develop a facility for the production of radioactive ion beams at Legnaro National Laboratories (Padua, Italy). In particular the SPES facility will produce neutron rich nuclei with mass in the range 80-160, to use for forefront research in nuclear physics and for many applications in different fields of science. The core of the project is constituted by the target – ion source system and in this work its study, design and test are presented. Chapter 1 gives a general overview of the SPES project and its scientific context whereas chapter 2 presents some details of the SPES production area that is composed of the target – ion source system and all the experimental apparatus needed for its functioning. Chapters 3 and 4 describe in detail the study, the design and the experimental tests performed for the SPES target and for the SPES ion sources, respectively. Once described separately the target and the ion source, they are studied together in chapter 5, observing with particular attention their reciprocal effects. In the final part of the thesis chapter 6 reports the description of the on-line test of the uranium carbide SPES target prototype carried on at the HRIBF facility (ORNL, USA).

Sin dagli inizi del ventesimo secolo la fisica nucleare esplora il comportamento e la stabilità dei nuclei atomici, affrontando di volta in volta nuove sfide scientifiche e tecnologiche. Le complesse tecnologie sviluppate appositamente per supportare la ricerca nel campo della fisica nucleare hanno spesso condotto ad importanti applicazioni in medicina, a livello industriale, in fisica applicata, influenzando talvolta in modo profondo gli usi e i costumi della società: la nascita del “web” presso il CERN di Ginevra costituisce un esempio emblematico. Nel corso degli ultimi anni l’Europa è diventata leader nel campo della fisica nucleare: il CERN è il più grande laboratorio di fisica delle particelle al mondo, situato nella periferia a Nordovest di Ginevra in prossimità del confine Franco-Svizzero, e l’Italia, con l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), è uno dei suoi membri principali. In Italia, uno dei più importanti progetti supportati dall’INFN è il progetto SPES (Selective Production of Exotic Species) che prevede la costruzione di una facility per la produzione di fasci radioattivi presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova). In particolare la facility SPES produrrà nuclei ricchi di neutroni con masse comprese nel range 80-160, da impiegare per la ricerca di base in fisica nucleare e per numerose altre applicazioni in ambito scientifico. Il cuore del progetto è costituito dal sistema target – sorgente di ionizzazione ed in questo lavoro ne vengono presentati lo studio, la progettazione ed i corrispettivi test sperimentali. Il capitolo 1 fornisce una presentazione generale del progetto SPES e del contesto scientifico ad esso legato mentre il capitolo 2 presenta alcuni dettagli dell’area di produzione SPES composta dal sistema target – sorgente di ionizzazione e da tutti gli apparati sperimentali necessari al suo funzionamento. I capitoli 3 e 4 descrivono in dettaglio lo studio, la progettazione ed i test sperimentali svolti rispettivamente per il target SPES e per le sorgenti di ionizzazione SPES. Una volta presentati separatamente il target e la sorgente di ionizzazione, tali componenti vengono studiati in modo accoppiato a livello del capitolo 5, prestando particolare attenzione agli effetti reciproci. Nella parte finale della tesi il capitolo 6 riporta la descrizione dei test on-line sul prototipo del target SPES in carburo di uranio svolti presso l’ HRIBF facility dei Laboratori Nazionali di Oak Ridge (USA).