INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania Potenziamento dei Laboratori Nazionali del Sud Upgrade del Ciclotrone Superconduttore Danilo Rifuggiato INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania CSN3 22 giugno 2017, LNS, Catania

I Laboratori Nazionali del Sud INFN LNS: acceleratori e sale sperimentali Chimera Magnex Ciclope Catana 0° 20° Medea 40° 60°-80° FRIBS@LNS Superconducting Cyclotron Tandem

Il Ciclotrone Superconduttore dei LNS (T/A)max = Kbending (Q/A)2 ~ 25 AMeV Au36+ (T/A)max = Kfocusing (Q/A) 100 AMeV per Q/A=0.5 Bending limit K=800 Focusing limit Kfoc=200 Pole radius 90 cm Yoke outer radius 190.3 cm Yoke full height 286 cm Min-Max field 2.2-4.8 T Sectors 3 RF range 15-48 MHz Versatilità (performance) Affidabilità (protonterapia) Alta intensità (fasci radioattivi)

Fasci del Ciclotrone Superconduttore sviluppati AX E (AMeV) H2+ 62,80 H3+ 30,35,45 2D+ 35,62,80 4He 25,62,80 He-H 10, 21 9Be 45 11B 55 12C 23,62,80 13C 45,55 14N 62,80 16O 21,25,55,62,80 18O 15,55 19F 35,40,50 20Ne 20,40,45,62 24Mg 50 27Al 40 36Ar 16,38 40Ar 15,20,40 40Ca 10,25,40,45 42,48Ca 10,45 58Ni 16,23,25,30,35,40,45 62,64Ni 25,35 68,70Zn 40 74Ge 40 78,86Kr 10 84Kr 10,15,20,25 93Nb 15,17,23,30,38 107Ag 40 112Sn 15.5,35,43.5 116Sn 23,30,38 124Sn 15,25,30,35 129Xe 20,21,23,35 197Au 10,15,20,21,23 208Pb 10 4He 80 AMeV 112Sn 43.5 AMeV In rosso fasci con intensità 1012 pps

Tipica distribuzione tempo macchina Ciclotrone Numero max ore di fascio per anno Esperimenti (PAC) 2160 Protonterapia 680 Progetti interni 360 Totale 3200

Upgrade già effettuati per aumentare l’intensità 1994 – Booster del Tandem 2000 – Stand alone Estrazione critica a causa della compattezza: e 50% Separazione tra le orbite DR=R•(DE/E)•(1/nr2)•g/(g+1) Setto: raffreddato direttamente Materiale setto: W vs. Ta Spessore : 0.3 vs. 0.15 mm 13C4+ @ 45 AMeV Pextr = 100 watt I=700 enA = 1x1012 pps

Double charge exchange reactions NUclear Matrix Elements for Neutrinoless double beta decay Double charge exchange reactions 0 vs HI-DCE Initial and final states: Parent/daughter states of the 0ββ are the same as those of the target/residual nuclei in the DCE Spin-Isospin mathematical structure of the transition operator: Fermi, Gamow-Teller and rank-2 tensor together with higher L components are present in both cases Large angular acceptance Measurements at 0° 16O, 18F, 18Ne, 20Ne detection capability High resolution spectra Angular distributions

NUclear Matrix Elements for Neutrinoless double beta decay Phase1: the experiment feasibility 40Ca(18O,18Ne)40Ar @ 270 MeV already done: the results demostrate the technique feasibility. Phase2: toward “few hot” cases optimizing experimental conditions and getting first result Study of “hot” cases optimizing the experimental conditions and getting first results R&D for the facility upgrade development of theory Phase3: the facility upgrade The facility upgrade (Cyclotron, MAGNEX, beam lines, …..) Phase4: the experimental campaign High beam intensities (some pA) and long experimental runs to reach integrated charge of hundreds of mC up to C, for the experiments in coincidences, for all the variety of isotopes for 0ββ decay year 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 Phase1 done Phase2 approved Phase3 Phase4

FRIBS@LNS: in Flight Radioactive Ion BeamS Production target

Tagging system: particle identification strip MCP primary beam beam intensity (kHz/100W) 18O 55MeV/A 16C 120 setting 11Be 17C 12   13B 80 11Be 20 10Be 60 8Li 14B 3 setting 12Be 12Be 5 9Li 6 6He 13C 55 MeV 11be 50 12B 100 36Ar 42 MeV 37K setting 34Ar 35Ar 70 36Ar 37Ar 25 33Cl 10 34Cl 35Cl 20Ne 35 MeV 18Ne setting ne18 17F 21Na 70Zn 42MeV setting 68Ni 68Ni MeV ns 18O + 9Be Br=2.78Tm m/Z=2.66 6He 9Li 12Be 15B 18C 10

Potenziamento dell’infrastruttura LNS: fasci CS di ioni leggeri ad alta intensità (100 volte quella attuale): Pmax=10 kW UPGRADE DEL CICLOTRONE SUPERCONDUTTORE E DELLE LINEE DI FASCIO UPGRADE DELL’APPARATO SPERIMENTALE MAGNEX UPGRADE DELLA FACILITY DI PRODUZIONE DI FASCI RADIOATTIVI FRIBS@LNS SERVIZI TECNICI E UPGRADE DEGLI IMPIANTI TECNOLOGICI ALTRE INSTALLAZIONI - Fasci radioattivi ISOL per PANDORA - ………

Estrazione per stripping - alta efficienza: >99% L’estrazione per stripping è basata sul cambiamento istantaneo della rigidità magnetica dello ione accelerato, quando il suo stato di carica aumenta improvvisamente dopo l’attraversamento di un foglio sottile detto stripper Per ioni con A<40, a energie maggiori di 15 MeV/u la popolazione di q=Z supera il 99% Traiettorie fascio estratto Deflessione elettrostatica Stripping in cresta Stripping in valle

Estrazione per stripping: fattibilità - Traiettorie “deformate” - Necessario un nuovo magnete superconduttivo Fattibilità Dinamica del fascio dell’estrazione per stripping Nuovo magnete superconduttivo (disegno concettuale)

Simulazioni traiettorie di estrazione per stripping Le simulazioni sono state completate con l’obiettivo di limitare le aree di stripping e individuare la geometria del nuovo canale, così da ottenere le specifiche geometriche del nuovo magnete superconduttivo Stripper in valle Stripper in cresta

Canali magnetici correttivi MC1S e MC2S Dinamica del fascio nell’estrazione per stripping 87.8 mm L=120 mm 60 mm 87.8 mm L=300 mm Canali magnetici correttivi MC1S e MC2S

Disegno concettuale del nuovo magnete s.c. Effettuato in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology, Plasma Science and Fusion Center, Cambridge, MA BOBINA BETA BOBINA ALPHA PIANO MEDIANO

Casi studiati – intensità attese Ion Energy Isource Iacc Iextr Pextr MeV/u emA pps watt 12C q=5+ 30 200 30 (4+) 45 (6+) 4.71013 2700 12C q=4+ 45 400 60 (4+) 90 (6+) 9.41013 8100 60 10800 18O q=6+ 20 60 (6+) 80 (8+) 6.21013 3600 29 5220 18O q=7+ 70 30 (7+) 34.3 (8+) 2.71013 5400 20Ne q=7+ 28 60 (7+) 85.7 (10+) 5.31013 4800 10280 40Ar q=14+ 60 (14+) 77.1 (18+) Attuale performance 13C4+ @ 45 AMeV Pextr = 100 watt I=700 enA = 1x1012 pps

Fasci comunque disponibili con estrazione elettrostatica AX E (AMeV) H2+ 62,80 H3+ 30,35,45 2D+ 35,62,80 4He 25,62,80 He-H 10, 21 9Be 45 11B 55 12C 23,62,80 13C 45,55 14N 62,80 16O 21,25,55,62,80 18O 15,55 19F 35,40,50 20Ne 20,40,45,62 24Mg 50 27Al 40 36Ar 16,38 40Ar 15,20,40 40Ca 10,25,40,45 42,48Ca 10,45 58Ni 16,23,25,30,35,40,45 62,64Ni 25,35 68,70Zn 40 74Ge 40 78,86Kr 10 84Kr 10,15,20,25 93Nb 15,17,23,30,38 107Ag 40 112Sn 15.5,35,43.5 116Sn 23,30,38 124Sn 15,25,30,35 129Xe 20,21,23,35 197Au 10,15,20,21,23 208Pb 10 4He 80 AMeV 112Sn 43.5 AMeV

Technical Design Report Novembre 2015 - Analisi tecnica modifiche piano mediano e magnete s.c. Valutazione economica

Bando pubblicato nella G.U.R.I. il 28-12-2016 Fornitura e installazione del nuovo magnete s.c. Dialogo competitivo Dicembre 2016 Bando pubblicato nella G.U.R.I. il 28-12-2016 Prezzo a base di gara € 4.300.000 IVA esclusa - Fase di Prequalifica 15-2-2017 Fase di Dialogo competitivo in corso 4 ditte prequalificate partecipanti al Dialogo competitivo - Fase di Gara legata alla disponibilità economica

Fornitura e installazione del nuovo magnete s.c. Tempistica

Stato dell’upgrade Ciclotrone Superconduttore Fattibilità del progetto completata in Ottobre 2014 - Dinamica del fascio dell’estrazione per stripping - Disegno concettuale del nuovo magnete superconduttivo Technical Design Report completato in Novembre 2015 - Analisi tecnica modifiche piano mediano e magnete s.c. - Valutazione economica Procedura di dialogo competitivo per la fornitura e installazione del nuovo magnete superconduttivo Inizio Dicembre 2016

OBS upgrade Ciclotrone Superconduttore Direzione LNS project office Dinamica fascio Ottica linee di fascio Meccanica Controlli automatici Radiofrequenza Criogenia Vuoto Alimentatori Servizi tecnici Logistica Edilizia Energia Raffreddamento Radioprotezione Prevenzione e protezione QA/QC Deployment manager PROJECT LEADER Project manager Procurement manager Machine manager

Matching Point at Achromatic Waist La nuova linea di estrazione Matching Point at Achromatic Waist

Upgrade apparato sperimentale Magnex - Linee di trasporto e pozzo di spegnimento - Nuovi alimentatori spettrometro MAGNEX (QD) - Nuova camera di scattering + sistema portatarget - Nuova camera per i rivelatori

Bersaglio rotante da 2 kW Upgrade della facility FRIBS@LNS n° 18 Quadrupoles n° 5 Dipoles n° 6 Steerers selection slits Degrader & energy selection slits Bersaglio rotante da 2 kW

Fasci radioattivi ISOL a bassa energia per PANDORA Line from CS Target First platform RF-cooler PANDORA Preliminary estimations: for 15O (2m half-life) production  1010 atm/sec.μA 16O-beam @ 70 MeV/u on a C-target We need 1011 atm/sec.μA for reaching 107 atm/cm3 inside the plasma, thus requiring 10 μA 16O-beam current on the target. PANDORA

Stima dei costi Potenziamento dell’infrastruttura LNS STIMA COSTI: 18.810 k€ IVA esclusa UPGRADE DEL CICLOTRONE SUPERCONDUTTORE E DELLE LINEE DI FASCIO STIMA COSTI: 10.560 k€ UPGRADE DELL’APPARATO SPERIMENTALE MAGNEX STIMA COSTI: 3.100 k€ UPGRADE FACILITY DI PRODUZIONE DI FASCI RADIOATTIVI FRIBS@LNS STIMA COSTI: 2.900 k€ SERVIZI TECNICI E UPGRADE DEGLI IMPIANTI TECNOLOGICI STIMA COSTI: 1.600 k€ ALTRE INSTALLAZIONI - Fasci radioattivi ISOL per PANDORA 650 k€ - ………

Stima dei tempi (molto indicativa)

Conclusioni Il progetto di potenziamento dei LNS prevede l’upgrade del CS e delle linee di fascio, l’upgrade dell’apparato sperimentale MAGNEX e l’upgrade della facility di produzione di fasci radioattivi in-flight FRIBS@LNS Poiché i LNS sono nella lista delle infrastrutture prioritarie di interesse nazionale del PNIR (Programma Nazionale per le Infrastrutture di Ricerca), e potrebbero attivare interventi nelle Regioni della Convergenza, sono eligibili per l’accesso ai fondi PON In attesa del bando PON, la procedura per la fornitura e installazione del magnete superconduttivo è stata avviata con il metodo del dialogo competitivo