Simulazione del campo elettrico nell'acceleratore di SPIDER e nella zona di trasporto del fascio di ioni.

This work presents a numerical investigation of the electric fields in the accelerator region of the SPIDER experiment and the dynamics of charged particles in the ion transport region. SPIDER is the negative ion source prototype of the Neutral Beam Test Facility (NBTF) in Padova, developed to support the Neutral Beam Injectors for ITER. The first part of the study focuses on the computation of electric fields inside the accelerator using finite element simulations performed with COMSOL Multiphysics. The objective was to identify geometrical features capable of intensifying the electric field to critical values, potentially leading to discharges during operation. Several critical points were detected, mainly associated with sharp edges and protruding components. Geometrical modifications such as increased fillet radii and the addition of electrostatic shielding elements were proposed and implemented, significantly reducing the peak electric fields and improving the voltage holding capability of the accelerator. The second part investigates the trajectories of positive ions generated in the beam transport region. Particle tracing simulations were performed to evaluate the hypothesis that backstreaming H+ ions contribute to overheating of components and to the overestimation of the current measured at the acceleration grid power supply. The results confirm that positive ions can be accelerated upstream by residual electric fields, striking components of the source and contributing to the observed effects. Overall, the study highlights the importance of detailed geometrical design in high-voltage accelerators and provides useful indications for the optimization of SPIDER before its next operational phase in 2026.

Questo lavoro presenta un’indagine numerica dei campi elettrici nella regione di accelerazione dell’esperimento SPIDER e della dinamica delle particelle cariche nella regione di trasporto degli ioni. SPIDER è il prototipo di sorgente di ioni negativi della Neutral Beam Test Facility (NBTF) a Padova, sviluppato per supportare gli iniettori di fascio neutro per ITER. La prima parte dello studio si concentra sul calcolo dei campi elettrici all’interno dell’acceleratore mediante simulazioni agli elementi finiti eseguite con COMSOL Multiphysics. L’obiettivo è di identificare caratteristiche geometriche in grado di intensificare il campo elettrico fino a valori critici, potenzialmente in grado di provocare scariche durante il funzionamento. Sono stati individuati diversi punti critici, principalmente associati a spigoli vivi e componenti sporgenti. Sono state proposte e implementate modifiche geometriche, come l’aumento dei raggi di raccordo e l’aggiunta di elementi di schermatura elettrostatica, riducendo significativamente i picchi di campo elettrico e migliorando la capacità dell’acceleratore di sostenere alte tensioni. La seconda parte analizza le traiettorie degli ioni positivi generati nella regione di trasporto del fascio. Sono state effettuate simulazioni di tracciamento delle particelle per valutare l’ipotesi che gli ioni H⁺ che ritornano a monte contribuiscano al surriscaldamento di alcuni componenti e alla sovrastima della corrente misurata dall’alimentatore della griglia di accelerazione. I risultati confermano che gli ioni positivi possono essere accelerati verso monte da campi elettrici residui, colpendo componenti della sorgente e contribuendo agli effetti osservati. Nel complesso, lo studio evidenzia l’importanza di una progettazione geometrica dettagliata negli acceleratori ad alta tensione e fornisce indicazioni utili per l’ottimizzazione di SPIDER prima della sua prossima fase operativa nel 2026.