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SPES Target Group A. Andrighetto - SIF2012 Il progetto SPES: produzione di fasci di ioni radioattivi ai Laboratori Nazionali di Legnaro. Alberto Andrighetto LNL-INFN Congresso SIF 2012 - Napoli

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SPES Target Group

A. Andrighetto - SIF2012

Il progetto SPES: produzione di fasci di ioni radioattivi ai

Laboratori Nazionali di Legnaro.

Alberto Andrighetto

LNL-INFN

Congresso SIF 2012 - Napoli

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SPES Target Group

A. Andrighetto - SIF2012

Talk OverviewTalk Overview

--IntroductionIntroduction

-- The SPES layout & devices.The SPES layout & devices.

-- The The production target (TIS).production target (TIS).

-- The TIS R&D activities.The TIS R&D activities.

-- Final remarks. Final remarks.

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The INFN Legnaro Laboratory

Nuclear Physics - Fundamental Interactions – Interdisciplinary Physics - Detector Techniques - Accelerator Design & Technology - Superconductivity

Electrostatic Electrostatic acceleratorsaccelerators

Superconducting radiofrequency acceleratorsSuperconducting radiofrequency accelerators

50th LNL birthday!

SPES is the LNL future…

19621962

19721972 19841984

19941994

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REX-ISOLDE, CERN delivering ISOL beams since 2001

GSI, Darmstadt, Germany delivering IF beams since 1990

SPES, Legnaro, Italy ISOL beams

EXCYT, Catania, Italy ISOL beams

GANIL, Caen, France delivering IF beams since 1984 (SPIRAL) ISOL beams since 2001

SPIRAL II ISOL beams

HIE-ISOLDE ISOL beams

FAIR IF beams

The RIB European Scenario

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The Excyt LNS facility

The INFN RIB ISOL Facility running since 2002

Cyclotron k800: RIB driver

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The Excyt LNS RIB facility

15 MV Tandem post-accelerator Target Front End

Target Chamber Unit

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a

b d

g

The SPES staging

The SPES projectThe SPES project Goal: to expand in the future the nuclear physics tests at LNL SPES is: 1) A second generation ISOL facility (for neutron-rich ion beams)

2) An interdisciplinary research center (for p,n applications)

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ORNL calculation

Nuclear Physics with RIB - High angular momentum

- Deformed nuclei

- Correlation (pairing)

- Shell evolution

Nuclear Astrophysics with RIB - Heavy elements origin (r,p,s process)

- Stellar explosion

- Neutron stars

- X-ray burst and supernovae

Physics domains @ SPES

Possibility to produce more than 500 isotopes …

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Physics nuclear reactions @ SPES

SPES RIB

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Spes (new) building Exp. Hall 3

ALPI building Cyclotron

RIB target stations

HRMS

Charge Breeder

RFQ

Building design & study of beam transport to ALPI are completed

Beam Cooler

SPES project status:

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The SPES main devices

DriverDriver::

‘Commercial’ cyclotron‘Commercial’ cyclotron

Post Post Accelerator:Accelerator:

PiavePiave-- AlpiAlpi existing existing complexcomplex

ALPI

PIAVE

Production Production Target:Target:

NEW CONCEPT NEW CONCEPT

((MultiMulti--foil foil UCxUCx target)target)

Target-Ion Source Complex:

- optimized for 8kW beam power

- Eproton = 40 MeV for RIB

- 10^13 fission/s.

RIB manipulation stageRIB manipulation stage

- Mass Separator (WF)

- Beam Couler

- HRMS

- Charge Breeder

- RFQ

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- The driver - The RIB manipulation - The post accelerator - The production target

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Cyclotron

load work per year

- 2 weeks per shift

- Beam preparation 2 days

- Beam on target 12 days

- Beam on target 280 hours per shift

- Expected Beam on target: more than

10000 hours per year (RIB+appl.)

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Status of Cyclotron

70p Model.

70p Magnet in Japan (Dec 2011)

Transfer to Marmen (Canada) for final Machining (March 2012)

Main Dimensions Main Dimensions Diameter = 4.5 m

Height= 1.7 m Weight = 210 tons

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- The driver - The RIB manipulation - The post accelerator - The production target

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Tar

get

Wien Filter

RFQ

Co

oler

Dipole

Acc. Column Acc. Column Dipole Multipole Dipole

Beam transport from TIS to HRMS

Dipole

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HRMS CB

Beam transport from HRMS to ALPI

CB NEW RFQ

RFQ

QWR1 QWR2 CR3-CR4

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- The driver - The RIB manipulation - The post accelerator - The production target

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ALPI layout

ALPI Low-Beta Cavity Upgrade

Starting situation: 20 QWRs in 5 cryostats

Ea~ 3 MV/m -> total accelerating

voltage ~ 11 MV After upgrade: 24

QWRs (6 cryostats) Ea = 5 MV/m (upgraded

rf system) -> total accelerating

voltage ~ 21 MV

CR03 – prototype work completed

Optimum betaOptimum beta

βo = 0.056

βo = 0.11

βo = 0.13

Motivation: to achieve at least 10 MeV/A up to A/q=7 most beam species (up to the heaviest) and higher beam transmission

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22Ne4+

40Ar9+

84Kr18+

120Sn21+

132Xe27+

197Au30+

80Ga17+

121Sn21+ 95Kr18+

129In21+

143Xe22+

132Sn21+

132Sn19+

SPES Final Performance

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- The driver - The RIB manipulation - The post accelerator - The production target

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The SPES TIS complex

ion source

SPES

production

target

transfer line proton

beam

1+

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Target complex – disc & container

UCx diskwindow dumper

box

proton

beam

Temperature distribution [°C] (ANSYS ®)

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ILine= 200A -> 600A max

ITarget= 700A -> 1200A max

Target & ion source

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The SPES off-line Front end (made in collaboration with INFN-MI , INFN-PV, INFN-BO)

60 kV platform

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The TIS R&D activitiesThe TIS R&D activities

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The TIS SPES Laboratories

HT LNL Lab Test Bench LNL Lab

Carbide Chemistry LNL Lab

UCx Chemistry PADOVA Lab

Laser PAVIA Lab New ‘class A’ LNL Lab

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Target production Study of the target porosimetry on the isotopes production yield

2010 Test Standard UCX

2011 Test Low density UCX

2012 Test Medium density UCX

2010 2011 2012

Density (g/cm³)

4.25 2.59 6.38

Diameter (mm)

12.50 13.07 12.91

Thickness (g/cm²)

0.41 0.41 0.41

Calculated porosity

(%) 58 75 37

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Beam from Tandem Accelerator

Beam Diagnostics

Dipole Magnet

M/DM = 2000 Moving Tape System

and g-ray Detector

Target / Ion Source

HRIBF: On-Line TIS Testing Facility

(low intensity (<50 nA) tests of RIB production targets)

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Experimental tests at HRIBF

2010 Test Standard UCX

2011 Test Low density UCX

2012 Test Medium density UCX

Irradiation by 40 MeV, 50 nA proton beam, ionization with plasma ion source

1 10 100 1000 1000010

4

105

106

107

108

Yie

ld (

/sec

/A

)

T1/2

(s)

Br yields 2000°C

Br yields 1800°C

Br yields 1600°C

Br

1 10 100 1000 1000010

5

106

107

108

Yie

ld (/

sec/

A)

T1/2

(s)

Br yields 2000°C

Br yields 1800°C

Br yields 1600°C

Br

• Targets tested at 3 different T:

2000°C, 1800°C and 1600°C

• 20 elements, about 80 isotopes collected

• Yield vs. half-life characterization

shipped to ORNL for

test (end of 2012?)

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B4C for the production of Be

B4C

Free C

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Surface Ion source

1 2

H He

3 4 5 6 7 9 10

Li Be B C N O F Ne

11 12 13 14 15 16 17 18

Na Mg Al Si P S Cl Ar

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112

Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt

8

Not extracted

Surface Ionization Surface Ionization MethodMethod

Laser beam

Laser with SIS

Photo Ionization MethodPhoto Ionization Method

Plasma Ionization MethodIonization Method

RIB ionization methods:

Main fission (p-> 238U) fragments Plasma Ion source

Selective method

Very selective method

Unselective method

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Target and Ion Sources

ionizing cavity

connector

plate

support

thermal screen

Hot cavity: - Optimized for Surface Ionization (Re inner surface) - Optimized for Laser Ionization (Ta, naked)

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Target and Ion Sources

> The Plasma Ion Source (PIS) adopted for the SPES facility

Starting configuration Hybrid MK5 (CERN) – EBPIS (ORNL)

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Target and Ion Sources

> Emittance measurements for SIS and PIS

SIS (Cs beam) PIS (Ar beam)

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LPX200 XeCl excimer laser

Laser test at LNL with excimer Aluminum ionization with a single wavelength

Laser beam

Pulse. 15 ns λ=308 nm

Al photo ionization

The laser beam shape is focalized into hot cavity

of 3 mm. diameter and 6 m. far away

Hot Cavity Laser beam (phosphorescence on plastic dump)

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SPES Target Group

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PAVIA Laboratory setup

1 Pump Laser:

• Quanta System G.Y.L 101/102

Nd:YAG laser

Impulse Energy up to 300mJ

Repetition rate max 10Hz

Complete laser photoionization system structure

3 Tuneable Dye Laser :

• Lambda Physik FL3002E and Lambda

Physik LPD3002E

Bandwidth 0,2 cm-1

Repetition rate according to pump

Goal: Build up a complete 3λ ionization scheme

Since April 2010: the 3 tuneable laser are ON

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The target chamber handling Two systems are foreseen in order to increase the handling security level

Target Front End

Horizontal device

Vertical device

Target chamber unit

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Handling system test bench at LNL

Vertical test bench Horizontal test bench

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Wien Filter on the FE Laboratory (New set up with mass separator – May’12)

FC + Slit

WF Front End EM FC +

Beam Profiler

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SPES Target Group

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The on-line Front end at LNS

For RIB production test using LNS Cyclotron

Proton; E= 40 MeV

I = 50 nA

LNS K800 Superconducting Cyclotron

Proton from K800

Cyclotron

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ConclusionConclusion

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SPES collaborations

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SPES possible Schedule

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SPES Target Group

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Letters of Intent: under discussion to select first-day-exp.

ISOL Target and Ion Source: working in off-line laboratory.

Layout for pre-acceleration: defined.

Authorizations ready for cyclotron operation.

Contract for cyclotron: signed November ‘10, final design

accepted (June ’11), cyclotron under machining.

Building project: ready, financed (June ‘12), bid on the way.

Phase β and γ partially financed (July ‘12)

Expected ground breaking Feb. 2013.

Letters of Intent: under discussion to select first-day-exp.

ISOL Target and Ion Source: working in off-line laboratory.

Layout for pre-acceleration: defined.

Authorizations ready for cyclotron operation.

Contract for cyclotron: signed November ‘10, final design

accepted (June ’11), cyclotron under machining.

Building project: ready, financed (June ‘12), bid on the way.

Phase β and γ partially financed (July ‘12)

Expected ground breaking Feb. 2013.

Current status and overview

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SPES Target Group

A. Andrighetto - SIF2012

The SPES-TIS group Since 2004: 45 thesis performed in the frame of target SPES activities