Progettazione meccanica, simulazione e test sperimentali dell'integratore di corrente per le prove di accettazione del bersaglio SPES

Studio del comportamento termico dell'integratore di corrente (Faraday Cup) e analisi accoppiate elettro-termo-strutturali con il codice di calcolo ad Elementi Finiti ANSYS. Progettazione meccanica di un setup per prove di compressione ad alta temperatura per caratterizzare la grafite.ope

Proof of Concept Experience in the SPES Experiment: First Solutions for Potentiometers Replacement in System Maintenance

AbstractSPES (Selective Production of Exotic Species) is a large facility, currently under advanced construction at the INFN-LNL (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Legnaro) for the production of Radioactive Ion Beams (RIBs). Coordinated efforts are being dedicated to the development and upgrading of both the accelerator complex and the up-to-date experimental set-ups. This paper describes a work of upgrading as far as the inspection and maintenance of the system is concerned, and it deals with human-centered design methods to reduce the time spent in the radioactive environment of the facility during ordinary maintenance operations and to simplify them, also considering stress conditions of the operator and the mandatory wearable radiation protection devices (such as tracksuit, gloves, oxygen tank mask) which make simple operations difficult

STUDY OF A NEW TARGET-ION SOURCE UNIT AND BEAM LINE FOR AN ENERGY AND POWER UPGRADE OF THE SPES PROJECT AT INFN LNL

Dagli inizi del ventesimo secolo, la fisica nucleare ha esplorato il comportamento e la stabilità dei nuclei, affrontando nuove sfide scientifiche e tecnologiche. Lo sviluppo di tali ricerche ha richiesto il supporto di apparecchiature sempre più sofisticate e complesse. Nel corso degli anni l’Europa ha assunto un ruolo di leadership nel campo della ricerca nucleare e sta ora promuovendo il progetto EURISOL, volto alla realizzazione di una nuova macchina per la produzione di fasci di ioni radioattivi per investigare con un dettaglio senza precedenti il comportamento dei nuclei più instabili, chiamati nuclei esotici. All’interno di questo programma partecipa attivamente anche l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), con il progetto SPES (Selective Production of Exotic Species), presso i Laboratori Nazionali di Legnaro. Tale progetto prevede la costruzione di una macchina per la produzione di fasci di ioni radioattivi ricchi di neutroni di elevata intensità e qualità utilizzando il metodo di produzione cosiddetto ISOL (Isotope Separation On Line). Il progetto italiano, assieme ad altri progetti europei attualmente in fase di costruzione o perfezionamento, costituisce un passaggio intermedio verso la realizzazione di EURISOL. Rispetto agli altri progetti europei, consentirà di lavorare con fasci primari di protoni a maggiore intensità, permettendo così di ottenere isotopi esotici più distanti dalla valle di stabilità e, per questo motivo, più difficili da formare e attualmente meno conosciuti. Nella prima fase, si utilizzerà un sistema linea di fascio primario-camera target progettato per operare con un fascio di protoni da 40 MeV di energia a 200 μA di intensità. Il ciclotrone utilizzato è però in grado di raggiungere un’energia massima di 70 MeV e di produrre una intensità di fascio di 300 μA. L’apparato attuale ha spinto le prestazioni dei singoli componenti, dei materiali costituenti e del sistema complessivo fino al proprio limite ingegneristico. L’innalzamento del valore dell’energia del fascio primario al massimo valore possibile per il ciclotrone impone quindi una revisione completa della struttura, dei componenti e dei materiali costituenti. È così possibile ottenere un incremento significativo delle prestazioni del sistema in termini di intensità e purezza dei fasci di ioni radioattivi prodotti, utilizzando essenzialmente lo stesso impianto generale attualmente disponibile e già completamente finanziato, quindi con notevole economia nell’utilizzo delle risorse. Con il suo completamento alle prestazioni più elevate, il progetto SPES costituirebbe, inoltre, un modello esemplare della costruzione di macchine per produzione e studio di fasci di ioni radioattivi di alte prestazioni in un laboratorio nazionale di Fisica Nucleare, non dotato generalmente delle grandi macchine acceleratrici, e delle corrispondenti grandi risorse economiche, dei grandi laboratori internazionali come il CERN. In quest’ottica si inserisce il presente lavoro di tesi. Il previsto incremento di energia e intensità del fascio primario di SPES, rende necessaria la riprogettazione di alcuni dei principali elementi dell’attuale linea a disposizione, giunta ormai al limite delle prestazioni. Si coglie tuttavia l’occasione per sviluppare e raccogliere una serie di esperienze sul piano tecnico metodologico in grado di fornire delle linee guida generali che permettano, per una macchina di produzione di ioni radioattivi con metodo ISOL, uno sviluppo guidato della linea di fascio primario e dei suoi componenti per le prestazioni più elevate raggiungibili attualmente con i ciclotroni. In questo modo la ricerca progettuale, al di là degli aspetti strettamente relativi al Progetto SPES, si arricchisce di un interesse metodologico che può trovare ampie applicazioni anche in contesti diversi della ricerca nucleare sperimentale.Since the beginning of the 20th century, nuclear physics has explored the behavior and stability of nuclei and has faced new scientific and technological challenges. The development of such research has required the support of increasingly sophisticated and complex equipment. Over the years, Europe has taken a leading role in nuclear research and is now promoting the EURISOL project, aimed at the creation of a new facility for the production of beams of radioactive ions that will allow to investigate with an unprecedented detail the behavior of the most unstable nuclei, called exotic nuclei. The National Institute for Nuclear Physics (INFN), with the SPES Project (Selective Production of Exotic Species), actively participates in this wide-ranging program at the National Laboratories of Legnaro. This project involves the construction of a facility for the production of high intensity and quality neutron-rich radioactive ion beams using the so-called ISOL (Isotope Separation On Line) production method. The Italian project, together with other European projects currently under construction or refinement, constitutes an intermediate step towards the realization of EURISOL. Compared to other European projects, it will allow to work with higher intensity proton primary beams, thus allowing to obtain exotic isotopes more distant from the valley of stability and, for this reason, more difficult to produce and currently less known. In the first phase, a primary beam-target chamber system designed to operate with a proton beam of 40 MeV of energy, and up to 200 μa of intensity will be used. However, the cyclotron used is capable of reaching a maximum energy of 70 MeV and producing a beam intensity of 300 μa. The current apparatus has pushed the performance of individual components, constituent materials and the overall system up to its engineering limit. Raising the energy value of the primary beam to the maximum possible value for the cyclotron requires therefore a complete overhaul of the structure, components and constituent materials, both of the target chamber system and of the primary beam line. It would thus be possible to achieve a significant increase in system performance in terms of intensity and purity of the produced radioactive ion beams, using essentially the same general plant currently available and already fully financed. With its completion at the highest performance, the SPES project would also constitute an exemplary model of the construction of facilities for the production and study of high performance radioactive ion beams in a national nuclear physics laboratory, generally not equipped with large accelerators, and the corresponding economic resources, of big international laboratories such as CERN. The present work fits in this context. The expected increase in energy and intensity of the primary beam of SPES, makes it necessary to redesign some of the main elements of the current line, now at the limit of performance. However, the opportunity is taken to develop and gather a series of methodological technical experience capable of providing general guidelines, allowing, for an ISOL-method radioactive ion production facility, a guided development of the primary beam line and its components for the highest performance currently achievable with cyclotrons. In this way, the research is enriched by a methodological interest that can find wide applications in different contexts

Progettazione meccanica, simulazione e test sperimentali dell'integratore di corrente per le prove di accettazione del bersaglio SPES

Studio del comportamento termico dell'integratore di corrente (Faraday Cup) e analisi accoppiate elettro-termo-strutturali con il codice di calcolo ad Elementi Finiti ANSYS. Progettazione meccanica di un setup per prove di compressione ad alta temperatura per caratterizzare la grafite

Residual activation of the SPES Front-End system: a comparative study between the MCNPX and FLUKA codes

A study of the residual activation of the Front- End system structure of the SPES (Selective Production of Exotic Species) facility, currently under construction at the Legnaro National Laboratories of INFN, Italy, is performed. The study provides useful information for the planning of inspections, maintenance operations and decommissioning of the facility as well as for the assessment of radiological conditions and safety requirements in the design and operation of any accelerator-driven radioactive ion beam facility. To better assess the obtained results, two Monte Carlo codes were independently used: MCNPX combined with CINDER’90 and FLUKA. The results of the two calculation procedures are compared at each step: fissions, fluxes, activation, dose rate. Since the energy range considered does not represent a typical application for any of the two codes, the comparison of the collected results can provide useful inputs for the developers. In particular, the agreement of the two codes on the global quantities is good, being of the order of 20–40% on average, and never larger than a factor 2. Nevertheless, the comparative study shows that, in this energy range, FLUKA seems to underestimate the angular straggling of protons and to overestimate the proton interaction cross-sections, with respect to MCNPX

Remote handling of radioactive targets at the SPES facility

SPES (Selective Production of Exotic Species) is a new facility being developed by Legnaro National Laboratories of INFN. Once operational, it will be able to generate high-intensity RIB (Radioactive Ion Beams) for research in the field of nuclear physics, and investigate medical applications through the ISOLPHARM project. The interaction of a 40 MeV 200 μA primary beam produced by a cyclotron proton driver with a multi-foil uranium carbide target leads to the production of the radioactive isotopes of interest. Collisions take place within the Target Ion Source (TIS) unit, which is the core of the SPES project. During the operation, a periodic replacement of the TIS unit is required to maintain process efficiency. Automated systems can perform critical tasks under such highly radioactive conditions, including handling, transporting, and storing the TIS unit without human intervention. For this reason, a remote handling framework is currently being developed to meet the functional and safety requirements of the project. In this paper, the SPES target area is presented. Here, remote handling systems ensure the proper operation of the facility, preventing staff from being exposed to high dose rates or contamination problems

The SPES facility as an intense neutron source: radiation resistance of polymeric materials and residual activation calculations

SPES is a new generation ISOL facility for the production of intense Radioactive Ion Beams by fission reactions at high rate. Two main topics related to the management of SPES as an intense neutron source are here discussed: the radiation resistance of polymeric components used for its construction and the residual activation of the system after machine shutdown. Radiation effects on elastomeric O-rings and lubricating grease are experimentally investigated to assure reliable operation of the facility and safe post-operation management. Experimental protocols have been developed to irradiate samples in a neutron and gamma facility of a TRIGA Mark II nuclear research reactor. Based on the results of post-irradiation mechanical tests, the most radiationresistant products are selected. A case study is dedicated to the life prediction of the O-ring of a SPES gate valve. Moreover, extensive Monte Carlo calculations are performed to evaluate the residual radioactivity of the facility after operation. The outcomes represent useful inputs to plan inspection and maintenance during the facility shutdown