Study and development of an RF buncher for SPES cyclotron at Laboratori Nazionali di Legnaro

The new SPES cyclotron at Laboratori Nazionali di Legnaro is operative since 2017. In order to improve its performances, an axial Radiofrequency (RF) buncher has been studied to optimize the injection process. To achieve satisfying results, it is necessary to understand the theory of RF buncher and its effect on the injected beam. It is also necessary to run beam simulations verifying the behaviour of the system. After introducing the SPES cyclotron and facility, an excursus on the fundamental concept of emittance is presented because of the importance that it has in beam characterization. Then, the injection line of the cyclotron will be analysed in all its major components. In order to simulate the line, each component has been reconstructed using SIMION, a software able to calculate electromagnetic fields and motion of charged particles. The main part of the work is dedicated to the study of the buncher. At first, the general linear theory is exposed, presenting the basic function of the tool and computing the specific quantities. Then the harmonic double gap buncher is described as this is the choice adopted. Double gap allows to halve the needed voltage and harmonic waveforms are the easiest to produce. After the calculation of the optimal potential, some important corrections to the theoretical estimate are given in the so-called Transit Time Factor. For what concerns the design, two different layouts are studied and compared: the βλ/2 buncher and the βλ. Finally, in the last part, the results of multi-particle tracking done by SIMION code are reported. In this section, both transverse and longitudinal components of motion are studied, verifying the effect of the buncher inserted in the injection line and the e_ective current gain of the system. Il nuovo ciclotrone del progetto SPES ai Laboratori Nazionali di Legnaro è operativo dal 2017. Allo scopo di migliorarne le prestazioni è stato studiato un buncher a Radiofrequenza (RF) per ottimizzare il processo di iniezione. Per ottenere risultati soddisfacenti _e necessario comprendere la teoria del buncher e i suoi effetti sul fascio iniettato. È anche necessario simulare il sistema, verificando il suo comportamento. Dopo aver introdotto il ciclotrone e la facility di SPES, sarà presentato un excursus sul concetto fondamentale di emittanza, per la sua importanza nella caratterizzazione dei fasci. In seguito, verrà analizzata la linea di iniezione del ciclotrone nei suoi maggiori costituenti. Per poter simulare la linea, ognuno di essi è stato ricostruito usando SIMION, un software per il calcolo di campi elettromagnetici e del moto di particelle cariche. La parte principale del lavoro è dedicata allo studio del buncher. Nella prima parte si espone la teoria generale, la funzione del dispositivo e i calcoli delle grandezze specifiche. Poi, l'attenzione verrà con- centrata sul buncher armonico a doppio gap, in quanto questo è il layout finale adottato. Il doppio gap, infatti, permette di dimezzare il potenziale necessario e le funzioni d'onda armoniche sono le più facili da generare. Dopo il computo del voltaggio ottimale, verranno riportate delle importanti correzioni alla stima ideale nel cosiddetto Fattore di Transito. Per quanto riguarda il design, saranno presentati e confrontati due diversi layout (βλ/2 e βλ). Infine, nell'ultima parte, sono esposti i risultati delle simulazioni in SIMION. In questa sezione ver- ranno analizzate le componenti trasversali e longitudinale del moto degli ioni, andando a verificare l'effetto dell'inserimento del buncher e l'effettivo guadagno in corrente del sistema.