Study of the injection system and development of a buncher device for the cyclotron of SPES project at Laboratori Nazionali di Legnaro

Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro è in costruzione un nuovo impianto per la fisica nucleare denominato SPES (Selective Production of Radioactive Species) [1]. L'obiettivo del progetto è la produzione di isotopi radioattivi per la ricerca fondamentale in struttura nucleare e applicazioni, come la medicina nucleare. Il cuore dell'impianto è un ciclotrone fornito da Best Theratronics, in grado di produrre due fasci di protoni con energie da 35 a 70 MeV e un'intensità di corrente massima totale di 750 uA. Un aspetto chiave di questa macchina è l'elevata intensità di corrente estratta, che sarà necessaria, una volta completata l'infrastruttura, per la produzione su larga scala di radioisotopi. Il presente studio si propone di indagare i meccanismi di iniezione del fascio di ioni H- nel ciclotrone SPES, con l'obiettivo di ottimizzare il processo di iniezione, riducendo le perdite di particelle e aumentando la corrente del fascio iniettato nella macchina. Sulla base della revisione della letteratura [2][3][4], un dispositivo “buncher” si rivela la scelta ideale per migliorare l'efficienza di iniezione. Parte del presente lavoro è dedicata a simulazioni numeriche, sviluppate utilizzando il software Simion [5], della dinamica del fascio nella linea di iniezione [6], come è in operazione attualmente, e nella regione centrale del ciclotrone [7], dove è posizionata una sonda per la misura dell'intensità di corrente del fascio. L'affidabilità delle simulazioni viene dimostrata dal confronto con i dati sperimentali raccolti durante le operazioni del ciclotrone. Il modello virtuale della linea di iniezione e della regione centrale del ciclotrone viene quindi utilizzato per valutare le prestazioni del dispositivo “buncher” che verrà installato in una posizione specifica lungo la linea di iniezione. I risultati della simulazione mostrano un possibile aumento significativo (circa un fattore 2) della corrente del fascio iniettata nel ciclotrone. Inoltre, viene preso in considerazione l'effetto della carica spaziale dovuto a una corrente del fascio non trascurabile per stimare la possibile riduzione nel miglioramento dell'iniezione [8][9]. Dopo la simulazione del componente, viene descritta la progettazione di una possibile implementazione della catena elettronica necessaria per il funzionamento del buncher, inclusa la generazione e l'amplificazione del segnale elettronico e l'adattamento di impedenza con il dispositivo. In conclusione, il presente lavoro studia la dinamica del fascio nella linea di iniezione e nella regione centrale del ciclotrone SPES. Per ottimizzare l'efficienza di iniezione, è stato progettato un dispositivo buncher, le cui prestazioni sono state stimate mediante simulazioni numeriche. Viene infine proposta una possibile realizzazione dell'elettronica necessaria al suo funzionamento.

At Laboratori Nazionali di Legnaro, a new facility for nuclear physics called SPES (Selective Production of Radioactive Species) is under construction [1]. The aim of the project is to produce radioactive isotopes for fundamental research in nuclear structure and for applications, such as nuclear medicine. The core of the facility is a cyclotron supplied by Best Theratronics, able to produce two proton beams with energies from 35 to 70 MeV and maximum total current intensity of 750 uA. A key feature of this machine is the high current intensity that will be necessary, once completed the infrastructure, for a large production of radioisotopes. The present study aims at investigating the mechanisms of beam injection into the SPES cyclotron, to optimize the injection process, to reduce particle losses and to increase the injected beam current in the machine. Based on the literature review [2][3][4], a buncher device is the ideal choice to improve the injection efficiency. Part of the present work is devoted to numerical simulations, developed using the Simion software package [5], of the H- ion beam dynamics in the injection line [6], as it is actually in operation without the buncher device, and in the central part of the cyclotron [7], where a probe is located for the measurement of the beam current intensity. The reliability of the simulations is demonstrated by comparison with the experimental data collected during cyclotron operations. The virtual model of the injection line and the central part of the cyclotron is then used to evaluate the performance of the buncher device that will be installed in a specific position along the injection line. The simulation results show a possible noticeable increase (approximately by factor 2) in the beam current injected into the cyclotron. Additionally, the effect of space charge due to non-negligible beam current is taken into account to estimate the possible reduction in the injection improvement [8][9]. After the simulation of the component, the design of a possible implementation of the electronics chain required for the buncher operation is described, including the electronic signal generation and amplification, and the impedance matching with the device. In conclusion, the present work investigates the beam dynamics in the injection line and in the central region of the SPES cyclotron. To optimize the injection efficiency a buncher device is designed, whose performance is estimated by means of numerical simulations. A possible realization of the electronics necessary to its reliable operation is finally proposed.