Caratterizzazione della superficie e test sperimentale di Plasma Facing Components realizzati mediante tecnologie di fabbricazione additiva per la sorgente FEBIAD della facility SPES

The aim of the SPES project (Selective Production of Exotic Species) is the production of radioactive ion beams for advanced scientific applications. In this context, the ISOL technique (Isotope Separation On-Line) represents a key element, enabling the production and separation of unstable isotopes. One of the main components of the ISOL system is the ionization source. Specifically, the FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharge) plasma ion source is currently the most widely used within the SPES facility. Inside the source, the anode and cathode play a crucial role in the ionization of exotic atoms, and the entire efficiency of the source depends on them. Within the SPES project, the HISOL (High-Performance ISOL) experiment aims to develop a new generation of high-performance ion sources using innovative technologies. Among these, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) stands out for its ability to offer greater design flexibility. This thesis focuses on evaluating the factors influencing the thermionic emission of cathodes manufactured by means traditional and additive manufacturing technologies, which is the physical phenomena that regulates the efficiency of the entire ion source. Among the main factors considered in this study are the surface characteristics of both the anodes and cathodes. For this reason, an in-depth analysis was carried out, focusing on the surface characterization of the components, aiming to detail their surface morphology and verify whether different surface textures can influence the thermionic emission of cathodes during operation. The results of this study will contribute to optimizing the performance of FEBIAD sources and support the development of advanced technological solutions for the SPES project. Additionally, preliminary assessments were conducted on other parameters influencing the source's operation, such as the high-temperature deformation of the cathode, the geometry of the anode, and the microstructure of the components, providing valuable insights for future investigations.

Il progetto SPES (Selective Production of Exotic Species) ha come obiettivo la produzione di fasci di ioni radioattivi per applicazioni scientifiche avanzate. In questo contesto, la tecnica ISOL (Isotope Separation On-Line) ne rappresenta un elemento chiave, permettendo la produzione e la separazione di isotopi instabili. Uno dei principali componenti del sistema ISOL è la sorgente di ionizzazione. In particolare, la sorgente al plasma di tipo FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharge) è attualmente la più utilizzata nel contesto della facility SPES. All’interno della sorgente, anodo e catodo giocano un ruolo cruciale nell’ionizzazione degli atomi esotici e da essi dipende l’intera efficienza della sorgente stessa. All’interno del progetto SPES, l’esperimento HISOL (High performance ISOL) si propone di sviluppare una nuova generazione di sorgenti di ionizzazione ad alte prestazioni mediante l’utilizzo di tecnologie innovative. Tra queste, la produzione mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF) si distingue per le sue capacità di offrire maggiore flessibilità progettuale. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla valutazione dei fattori di influenza dell’emissione termoionica di catodi prodotti mediante tecnologie tradizionali e tecnologie di additive manufacturing, fenomeno fisico su cui è basato il funzionamento dell’intera sorgente. Tra i principali fattori di influenza dell’emissione termoionica presi in considerazione in questo studio figurano le caratteristiche delle superfici sia degli anodi, sia dei catodi. Per questo motivo è stata condotta una analisi approfondita focalizzata sulla caratterizzazione superficiale dei componenti, che mira a descrivere in dettaglio la morfologia superficiale dei componenti, al fine di verificare se differenti tessiture superficiali possano influenzare l’emissione termoionica dei catodi in fase di esercizio. I risultati di questo studio contribuiranno a ottimizzare le prestazioni delle sorgenti FEBIAD e a supportare lo sviluppo di soluzioni tecnologiche avanzate per il progetto SPES. In aggiunta sono state effettuate delle valutazioni preliminari circa altri parametri di influenza del funzionamento della sorgente, come la deformazione ad alta temperatura del catodo, la geometria dell’anodo e la microstruttura dei componenti, fornendo utili indicazioni per approfondimenti futuri.