Studio, progettazione elettro-termo-strutturale e test di componenti di sorgente di ionizzazione di tipo FEBIAD sviluppati mediante tecnologie di manifattura additiva per applicazioni a temperature superiori ai 2000 °C.

The framework of this thesis is the SPES facility at the INFN National Laboratories of Legnaro, a facility for the production of high-purity and high-intensity Radioactive Ion Beams, based on the ISOL technique. One of the key components of the facility is the ionization source, a device operating under extreme temperature and vacuum conditions, whose function is to ionize the neutral species that will then form the radioactive beam. The most commonly used type of source is the FEBIAD one, in which ionization occurs through the bombardment of neutral atoms by an electron flux. These electrons are emitted via thermionic effect from a cathode, and are accelerated toward an anode held at a higher potential. The cathode and the anode form the core of the source and are made of tantalum, a refractory metal with limited machinability and weldability, which negatively affects reliability and performance reproducibility. To overcome these limitations, in the context of the INFN HISOL_NEXT experiment, the production of tantalum components using the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) additive manufacturing technique has been developed. In this context, the objective of this thesis is the development and study of innovative FEBIAD source components produced through LPBF. The first step was the definition of a standard multi-step procedure for evaluating different source configurations, supported by the creation and validation of several electro-thermo-structural FEM models, which are essential for deriving quantities that cannot be measured experimentally. Subsequently, a hybrid source was built, featuring standard components alongside a cathode and anode manufactured by LPBF with standard geometry. The detailed characterization of this source showed that the LPBF components exhibited performance comparable to or even better than standard ones, paving the way for further developments. Exploiting the topological flexibility provided by LPBF technology, additional source versions were developed: the first aimed at increasing the electron flux emitted via thermionic effect by introducing a conical rather than flat interface between cathode and anode; the second aimed at improving the temperature uniformity of the source for a given heating power. In both cases, promising results were obtained, although further development is needed to consolidate the design. A possible evolution could be a solution capable of implementing a conical interface with greater temperature uniformity. A preliminary version of this solution has been proposed and studied numerically.

Il contesto di questa tesi è la facility SPES presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN, un’infrastruttura per la produzione di fasci di ioni radioattivi di elevata purezza ed intensità tramite la tecnica ISOL. Uno dei componenti fondamentali della facility è la sorgente di ionizzazione, dispositivo che opera a condizioni estreme di temperatura e vuoto e ha la funzione di creare gli ioni che costituiscono il fascio radioattivo. La tipologia di sorgente più usata è la FEBIAD, in cui la ionizzazione avviene grazie bombardamento di atomi neutri mediante un flusso di elettroni. Questi elettroni sono emessi per effetto termoionico da un catodo, e attratti verso un anodo posto a un potenziale maggiore. Catodo e anodo costituiscono il cuore della sorgente e sono realizzati in tantalio, metallo refrattario con limitata lavorabilità e saldabilità, con un effetto negativo sulla affidabilità e ripetibilità delle performance. Per superare questi limiti, nel contesto dell’esperimento INFN HISOL, è stata messa a punto la realizzazione dei componenti in tantalio con la tecnica di manifattura additiva Laser Powder Bed Fusion. In questo contesto questa tesi ha come obiettivo lo sviluppo e lo studio di componenti innovativi per la sorgente FEBIAD prodotti tramite LPBF. Il primo passo è stata la definizione di una procedura standard multi-step per valutare le diverse configurazioni di sorgente, a supporto della quale sono stati realizzati e validati diversi modelli FEM elettro-termo-strutturali, fondamentali per ricavare grandezze che non sono misurabili sperimentalmente. Poi è stata realizzata una sorgente ibrida, con componenti standard e catodo e anodo realizzati in LPBF con geometria tradizionale. La caratterizzazione di dettaglio di questa sorgente ha mostrato che i componenti LPBF hanno performance paragonabile se non superiore a quelli standard, aprendo la strada a ulteriori sviluppi. Sfruttando la flessibilità topologica data dalla tecnologia LPBF, sono state sviluppate altre versioni di sorgente, la prima volta a incrementare il flusso di elettroni emessi per effetto termoionico, considerando un’interfaccia conica tra catodo e anodo anziché piana, la seconda con l’obiettivo di migliorare l’uniformità di temperatura della sorgente a parità di potenza riscaldante. In entrambi i casi sono stati ottenuti risultati promettenti, anche se ulteriori sviluppi saranno necessari per consolidare il design. Un possibile sviluppo potrebbe essere una soluzione in grado di implementare una interfaccia conica con una maggiore uniformità di temperatura. Per questa soluzione è stata proposta una versione preliminare, studiata per via numerica.