Sviluppo e progettazione agli elementi finiti di target in carburo di silicio e titanio per la fase di collaudo della facility SPES

The SPES (Selective Production of Exotic Species) facility, which is at an advanced construction stage at Legnaro National Laboratories, will be able to generate a beam of radioactive exotic ions by bombarding specific production targets with high-energy protons. This radioactive beam will be used for research activities in the fields of Nuclear Physics and Medicine. This thesis focuses on the development of ISOL targets made of silicon carbide and titanium carbide, which are the type of targets that will be used in the commissioning phase of the SPES facility. The target design process foresees three steps. Firstly, the interaction between the target and the incident proton beam is investigated using appropriate Monte Carlo analyses, which provide as output the radionuclides produced and the thermal power deposition. Subsequently, such power deposition maps are integrated into specific thermal analyses in order to estimate the temperature range for optimal target operation. Finally, the temperature distribution is used in appropriate structural analyses in order to estimate the thermal stress range by comparing its peak values with the material stress limit. In this thesis work, the illustrated procedure is used for the verification of the existing silicon carbide target and the design of a new similar target made of titanium carbide

La facility SPES (Selective Production of Exotic Species), in avanzato stato di costruzione presso i Laboratori Nazionali di Legnaro, sarà in grado di generare un fascio di ioni esotici radioattivi grazie al bombardando con protoni ad alta energia di specifici target di produzione. Tale fascio radioattivo sarà utilizzato per attività di ricerca nei campi della Fisica Nucleare e della Medicina. Il presente lavoro di tesi si focalizza sullo sviluppo di target ISOL in carburo di silicio e titanio, ossia i bersagli che saranno impiegati nella fase di collaudo della facility SPES. La progettazione del target si articola in tre fasi, dapprima viene studiata l’interazione tra il target e il fascio di protoni incidente mediante apposite analisi Monte Carlo, che forniscono in output i radionuclidi prodotti e le potenze termiche depositate. Successivamente le mappe di potenza dissipata vengono integrate in specifiche analisi termiche con lo scopo di ricavare il campo di temperatura per il funzionamento ottimale del target. Infine, la distribuzione di temperatura viene impiegata in apposite analisi strutturali con lo scopo di stimare il campo di tensioni termiche confrontandone i valori di picco con la tensione limite del materiale. Nel presente lavoro di tesi la procedura illustrata viene impiegata per la verifica del target esistente in carburo di silicio e per la progettazione di un nuovo bersaglio analogo in carburo di titanio.