Sviluppo di componenti innovativi di una sorgente di ionizzazione per applicazioni avanzate di fisica nucleare, prodotti additivamente mediante fusione laser a letto di polvere.

The ISOL (Isotope Separation On-Line) technique is one of the main methods to produce exotic ions in the form of accelerated beams for the purposes of nuclear physics research and medical applications and is under study at the Legnaro National Laboratories of the National Institute of Nuclear Physics (INFN), where the SPES (Selective Production of Exotic Species) facility is under construction. One of the fundamental components of an ISOL system is the ion source, that is, the device in which the produced exotic atoms acquire a charged state, which is essential for being accelerated. The current Forced Electron Beam Induced Arc Discharge (FEBIAD) source, namely one of the most widely used types, consists of more than twenty tantalum components, being the main ones an anode and a cathode, which have to be assembled manually through a not very repetitive process , with a significant impact on the variability of performance. For this reason, in the context of this thesis, a new source design was proposed and developed benefitting of the geometric flexibility provided by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology, that is the most advanced additive manufacturing technique currently available at INFN-PD for the production of refractory metal components. The first case study was the cathode of the FEBIAD source, which is the most critical component because it operates in high vacuum at 2000°C and is subjected to relevant thermal stresses. The compatibility of LPBF technology with the FEBIAD source application was first verified by testing at high-temperature an additively manufactured cathode according to the traditional geometry. Then a new version of the component with redesigned geometry was developed and produced to improve its temperature uniformity. Finally, the new version of the cathode was integrated into an entirely redesigned source by including several LPBF components.

La tecnica ISOL (Isotope Separation On-Line) è uno dei metodi principali per produrre ioni esotici sotto forma di fasci accelerati ai fini di ricerca in fisica nucleare e applicazioni in campo medicale ed è in fase di studio presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dove è in costruzione la facility SPES (Selective Production of Exotic Species). Uno dei componenti fondamentali di un sistema ISOL è la sorgente di ionizzazione, ossia il dispositivo in cui gli atomi esotici prodotti acquisiscono uno stato di carica, indispensabile per essere accelerati. Attualmente la sorgente Forced Electron Beam Induced Arc Discharge (FEBIAD), ossia una delle tipologie più utilizzate, è costituita da oltre venti componenti in tantalio, di cui i principali sono un anodo e un catodo, che devono essere assemblati manualmente con un processo poco ripetitivo, con un notevole impatto sulla variabilità delle performance. Per questo motivo, nel contesto della tesi, è stato proposto e sviluppato un nuovo design della sorgente sfruttando la flessibilità geometrica garantita dalla tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF), ossia la più avanzata tecnica di manifattura additiva attualmente disponibile presso INFN-PD per la produzione di componenti in metallo refrattario. Il primo caso di studio è stato il catodo della sorgente FEBIAD, componente più critico, in quanto opera in alto vuoto a 2000°C ed è soggetto a ingenti stress termici. Si è dapprima verificata la compatibilità della tecnologia LPBF con l’applicazione alla sorgente FEBIAD eseguendo alcuni test ad alta temperatura su un catodo di geometria tradizionale prodotto in additive manufacturing. Successivamente è stata sviluppata e prodotta una nuova versione del componente con geometria riprogettata per migliorarne l’uniformità di temperatura. Infine, la nuova versione del catodo è stata integrata in una sorgente interamente ridisegnata includendo diversi componenti LPBF.