Review Attività LNS, 1-2 luglio 2015 Upgrade del Ciclotrone Superconduttore Danilo Rifuggiato INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania

Setto: raffreddato direttamente Nuovo materiale del setto: W vs. Ta Spessore maggiore: 0.3 vs mm  Efficienza di estrazione 63% vs. 50% Intensità massima dei fasci del Ciclotrone 13 C 45 AMeV Pextr = 150 wattI=1020 enA= 1.5x10 12 pps Il matching sorgente- ciclotrone può essere migliorato L’ottica di fascio lungo la linea di iniezione viene studiata secondo il metodo adottato da MSU, JYFL, KVI

but one should know Nuclear Matrix Element (NME) A lot of new physics inside Il caso fisico che richiede intensità maggiori: il doppio  decay

Reazioni di doppio scambio carica ( 18 O, 18 Ne) e ( 20 Ne, 20 O) per la determinazione dell’elemento di matrice nucleare nel doppio  decay Spettrometro MAGNEX  Grande accettanza angolare  Possibilità di misurare a 0°  Possibilità di rivelare 16 O, 18 F, 18 Ne, 20 Ne  Spettri ad alta risoluzione  Distribuzioni angolari fino a 10 nb/sr Reazione DCX già studiata 40 Ca( 18 O, 18 Ne) 40 Ar – exp. DOCET nov test run ottobre 2014 e febbraio 2015 con 18 O a 15 e 25 MeV/amu Intensità 6 enA (limite max del rivelatore) - statistica scarsa fattore 10 Per una reazione di maggior interesse come 116 Sn( 18 O, 18 Ne) 116 Cd sez. d’urto 10, risoluzione 10, energia 10  intensità 60 e  A – P ≈ kwatt Il caso fisico che richiede intensità: il doppio  decay

primary beambeam intensity (kHz/100W) 18O 55 AMeV16C120 setting 11Be17C12 13B80 11Be20 10Be60 8Li20 18O 55 AMeV14B3 setting 12Be12Be5 9Li6 6He12 13C 55 AMeV11Be50 setting 11Be12B100 36Ar 42 AMeV37K100 setting 34Ar35Ar70 36Ar100 37Ar25 33Cl10 34Cl50 35Cl50 20Ne 35 AMeV18Ne50 setting ne1817F20 21Na100 70Zn 40 AMeV setting 68Ni68Ni20 Fasci radioattivi sviluppati a oggi con Fasci in programma nel C (CHIMERA - Clustering) 68 Ni (CHIMERA – Pigmy R.) 8 He (CHIMERA – Reson. 9 He) 14 Be (test experiment) 38 S (MAGNEX – GMR)

Estrazione per stripping: alta efficienza >99% Atomic Data and Nuclear Data Tables, Vol. 51, No. 2, July 1992, Table 2 pag.187 Per ioni leggeri ad energie elevate, la frazione di popolazione dello stato di carica q=Z dopo uno stripper di spessore pari allo spessore di equilibrio è >99% 12C 15 MeV/uF(5)=8.35e-4F(6)= C 20 MeV/uF(5)=3.20e-4F(6)= O 15 MeV/uF(7)=3.14e-3F(8)= O 20 MeV/uF(7)=1.29e-3F(8)= O 30 MeV/uF(7)=3.74e-4F(8)= Ne 15 MeV/uF(9)=8.90e-3F(10)= Ne 20 MeV/uF(9)=3.26e-3F(10)= Ne 30 MeV/uF(9)=9.51e-4F(10)= L’estrazione per stripping è basata sulla diminuzione di rigidità magnetica dello ione accelerato, causata da un aumento dello stato di carica o un decremento della massa, a seguito dell’attraversamento di un sottile foglio di carbonio (stripper).

Richiesta fattibilità dell’estrazione per stripping Maggio 2014: il documento di valutazione della proposta NUMEN redatto da Iachello, Harakeh, Frekers,…. “supports the idea of an upgrade of the cyclotron to energies above 60 MeV/amu” …. “suggests that a detailed document be prepared in a timely fashion specifying the intensities and energies that can be obtained with an upgrade and including a full simulations of the expected performances” 12 C, 18 O, 20 Ne MeV/amu 18 O 70 MeV/amu

Tutti i parametri di dinamica del fascio sono stati calcolati con il codice GENSPGAP sviluppato alla Michigan State University (Gordon, Particle Accelerators 1984 Vol. 16, pag ) su cui si basa anche il calcolo dei parametri nominali del Ciclotrone Superconduttore a partire dai dati di campo misurati. In particolare il codice restituisce l’evoluzione dell’inviluppo radiale e assiale del fascio lungo la traiettoria di estrazione e permette di simulare l’effetto di canali magnetici lungo l’estrazione. L’individuazione delle traiettorie è stata invece effettuata tramite OPERA3D. Mappa Reale misurata Creazione mappa 3D con codice Calcolo parametri orbita chiusa con GENSPGAP Individuazione miglior angolo di stripping in OPERA 3D Calcolo parametri orbita strippata con ESTRAZ no si Individuazione migliori valori di campo e gradiente per i canali magnetici (ESTRAZ ) FINE ricomincia Limiti meccanici rispettati? Larghezza in z massima +/- 2,5 cm? Passa per il nuovo canale? Distanza dal centro macchina >= 7 cm? no ricomincia si Campo <= 2 Kgauss? Gradiente di campo < =2 kGauss/cm? Larghezza in z massima <=+/-3 cm? Calcoli di estrazione per stripping

Da: Tomic, Samsonov, Analytical description of stripping foil extraction from isochronous cyclotrons, Physical Review E, Volume 65, A r larghezza radiale del fascio r frequenza di betatrone radiale  E guadagno di energia per giro W energia totale del fascio Energy spread  W/W = A r r 2 /r +  E/2W Emittanza: 120  mm.mrad valore misurato in uscita dalla sorgente. Fattore 2 per tenere conto di effetti di mismatch. Dinamica dell’estrazione per stripping

Nel corso delle simulazioni diventava sempre più evidente che il vincolo geometrico dell’attuale canale di estrazione implicava un comportamento “problematico” nello spazio delle fasi. Pertanto si è cercata una soluzione indipendente da tale vincolo Fattibilità dell’estrazione per stripping

Inviluppi del fascio nel piano trasverso

Canali magnetici per la focalizzazione Nuovo canale di estrazione Canale di estrazione esistente

IonEnergyIsourceIaccIextr Pextr MeV/u eAeAeAeAeAeA ppswatt 12 C q= (4+)90 (6+)9.4  C q= (4+)45 (6+)4.7  C q= (4+)90 (6+)9.4  C q= (4+)90 (6+)9.4  O q= (6+)80 (8+)6.2  O q= (6+)80 (8+)6.2  O q= (6+)80 (8+)6.2  O q= (6+)80 (8+)6.2  O q= (7+)34.3 (8+)2.7  Ne q= (4+)223 (10+)1.4  Ne q= (7+)85.7 (10+)5.3  Ne q= (7+)85.7 (10+)5.3  Fasci studiati – intensità attese

Sezione aggiuntiva della linea di estrazione

Schermo ad azoto liquido  - Coil layers Criostato elio liquido Dall’estrazione elettrostatica all’estrazione per stripping Nuovo magnete s.c. Un conceptual design study è stato realizzato in collaborazione con il MIT

Studio di un nuovo magnete superconduttivo Specifiche Fattori di forma bobine principali entro 0.1% rispetto a quelli attuali Aumento altezza del canale di estrazione di 30 mm Tipo di avvolgimento superconduttore Consumi elio e azoto liquido non superiori agli attuali Analisi magnetica, termica e strutturale della massa fredda Stima dei costi

Fattori di forma delle bobine superconduttrici

Analisi strutturale Dal Report MIT: “The conclusion from these analyses is that both in Modes A and B the coils are self supporting. No additional structural support is required.”

Consumi di elio e azoto liquido Circa 6 W a 4.3 K  9 W (50% in più)  6 unità cryocooler da 1.5 W ciascuna per un totale di 400 k€ circa

L’affidabilità del Ciclotrone Superconduttore I punti deboli: a) Gli schermi ad azoto liquido b) I trim coils Schermi azoto A seguito dei warm-up (2 in tutto dal 1992) sono state rilevate delle perdite di azoto liquido negli schermi azoto del criostato: Uno dei tre schermi – virola interna – è già stato escluso, ma abbiamo già evidenza di una perdita nell’altro grande schermo – virola esterna – che essendo contenuta causa problemi di lieve entità sul vuoto criostato. Gli schermi azoto non sono riparabili né sostituibili Trim coils Da alcuni anni abbiamo evidenza di perdite di acqua negli avvolgimenti di alcune bobine di correzione (20 in tutto avvolti nelle 3 creste superiori e inferiori). Questo è causa di un valore elevato di pressione residua ( mbar) nella regione sotto il liner e conseguentemente di un vuoto non ottimale ( mbar) in camera di accelerazione

Costo del criostato stimato dal MIT

Costi dell’intera operazione Obiettivo affidabilità Nuovi trim coils0.5 Nuovi alimentatori t.c.1.5 Nuovi alim. linee0.5 Liquefattore di elio0.4 Obiettivo intensità Sistema meccanico per lo Stripper0.5 Canali magnetici0.5 Nuovo liner0.5 Matching Sorgente-Ciclotrone0.2 Linea di fascio Ciclotrone-sale misura0.5 Stima approssimata dei costi Magnete superconduttivo 5.1 M€ Equipment “Intensità” 2.2 M€ Equipment “Affidabilità” 2.9 M€ Total10.2 M€ Magnete s.c.: criostato e bobine 5.1

Manpower Unità di personale richieste 1 fisico dinamica dei fasci misure magnetiche coordinatore 1 ingegnere progetto e costruzione criostato 1 ingegnere meccanicovuoto progett.meccanica smontaggio montaggio 1 ingegnere elettronicoRF, convertitori di potenza Il personale che si occupa del Ciclotrone Superconduttore è costituito da 4 ric. e tecn. e 28 tecnici Attualmente: un assegno di ricerca tecnologica per lo studio di fattibilità dell’estrazione per stripping

StartEnd Studio nuovo magnete s.c.06/201410/2014 Realizzazione magnete e altri apparati01/201606/2018 Smantellamento01/201806/2018 Montaggio06/201806/2019 Commissioning06/201910/2019 Stima dei tempi

I punti di forza del progetto Intensità significativamente più elevata per ioni leggeri con A<20: NUMEN sperimentazione con fasci stabili intensi oggi disponibili in altri laboratori produzione di radioisotopi Diagramma operativo immutato - tutti i fasci accelerabili restano disponibili con estrazione elettrostatica: protoni per CATANA fasci medio-pesanti con A>20 Grado di affidabilità più elevato: Criostato Liquefattore Trim coils

Magnete superconduttivo – studio ingegneristico affidato a ASG Superconductors, Genova Parti meccaniche: stripper, canali magnetici, liner, trim coils, smontaggio, montaggio – valutazione scelte tecniche e costi - contatti con le ditte Alimentatori: valutazione costi - contatti con le ditte Linea Ciclotrone-Magnex: studio di ottica per ottimizzare la trasmissione Radioprotezione: valutazione potenziamento strutture schermanti Technical Design Report Il MAC INFN nella seduta del 20 aprile u.s. ha suggerito una definizione delle scelte progettuali da assumere come punto di partenza per una dettagliata analisi dei costi Data TDR:Ottobre 2015