Orbit dynamics studies of injection, acceleration and extraction of high-intensity beams for the upgrade of the INFN-LNS Superconducting Cyclotron

The nuclear research carried out at the LNS laboratory in Catania is mainly allowed by the ion beams delivered by two ion accelerators, a 15 MV Tandem and a k800 Superconducting Cyclotron (the so-called CS). These accelerators deliver to the INFN-LNS scientific community a large variety of stable ion beams with energies ranging from a few MeV/amu to 80 MeV/amu. NUMEN, a nuclear physics project born recently at INFN-LNS, proposes the use of the heavy ion induced double charge exchange reactions as a tool to access quantitative information relevant for nuclear matrix elements for neutrinoless double beta decay. The pilot experiment carried out by the NUMEN team at LNS in Catania has already demonstrated that beam power of the order of 1-10 kW of Carbon, Oxigen and Neon with energies in the range 15-70 MeV/amu are mandatory for the NUMEN reaction study. An additional requirement is that the beam energy resolution should not overcome 1/1000 FWHM. Currently, the maximum CS beam power does not exceed 100 W, so a substantial upgrade of the CS is needed to fulfil the NUMEN requirements. In the frame of the CS upgrade, this thesis is devoted to the simulations of beam dynamics in the LNS cyclotron, with the aim to overcome the current CS limitations and to propose innovative solutions for achieving the beam characteristics in terms of beam power and energy resolution required by the NUMEN project. In this thesis, one of the main topic is the stripping extraction from the CS. The study has allowed to individuate: i) the stripper foil position for each ion to be extracted by stripping, ii) the transverse dimension and direction of the new extraction channel in the CS to be used for all the ions to be extracted by stripping and iii) the features of the magnetic channels to be installed inside the new extraction channel. The second subject of this thesis is the beam injection and acceleration up to the extraction in the LNS cyclotron. This study has been possible thanks to the development of the beam tracking model of the INFN-LNS Superconducting Cyclotron, performed in collaboration with the Ion Beam Applications company. This work has shown that the total transmission efficiency from the CS bore injection up to the extraction system, simulating also a process of energy selection outside the CS according to the NUMEN requirement, is only around the 2.7%, a low value compared to the expected value of 15%. The energy selection process is the main cause of the low total efficiency. We demonstrated that the major contribution to the beam energy spread at the extraction in the LNS cyclotron is due to the large emittance circulating in the LNS cyclotron. The energy gain per turn contributes only partially to the energy spread at the extraction but, in any case, it sets an inferior limit on the minimum energy spread obtainable in the CS cyclotron. This value stays around 0.2%, about the twice of the NUMEN requirement. This thesis allows also to establish a roadmap of the goals and milestones to be achieved in next months/years. According to the simulation results, the goal of reduction of the beam energy spread at the extraction can be achieved only paying attention on the ion beam production and transport to the CS, since these processes determine the emittance in the horizontal and vertical phase spaces of the beam entering the CS central region. Also a good quality of the accelerated beam will be necessary since an initial beam offset in the central region implies a further increase of the beam energy spread at the extraction. This work has also shown that an increase of the injection efficiency is possible by applying higher dee voltages than the nominal one and modifying slightly the existing central region design. These changes have allowed to increase the injection efficiency up to a factor of about 1.7.

L attività di ricerca nell ambito della fisica nucleare condotta presso i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) dell INFN a Catania è realizzata mediante l impiego di fasci ionici forniti da due acceleratori di particelle, il tandem da 15 MV e il Ciclotrone Superconduttore (CS). NUMEN, un progetto di fisica nucleare nato recentemente ai LNS, propone l'uso di reazioni di doppio scambio di carica indotte da ioni pesanti come strumento per accedere a informazioni quantitative rilevanti per gli elementi di matrice nucleare presenti nell espressione del rate del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. L'esperimento pilota condotto dal team NUMEN ai LNS di Catania ha dimostrato la necessità di valori di potenza di fascio dell'ordine di 1-10 kW di Carbonio, Ossigeno e Neon con energie nell'intervallo 15-70 MeV/amu. Un ulteriore requisito è che l energy spread di fascio non superi il valore di 1/1000 FWHM. Attualmente, la massima potenza di fascio fornita dal CS non supera i 100 W ed è pertanto necessario un upgrade sostanziale del ciclotrone per soddisfare i requisiti del progetto NUMEN. Il lavoro sviluppato in questa tesi si colloca all interno del progetto di upgrade del CS ed è dedicato alla simulazione della dinamica del fascio nel ciclotrone dei LNS, con la finalità di trovare soluzioni innovative che permettano di soddisfare i requirement del progetto NUMEN sia in termini di potenza del fascio che di risoluzione energetica. Uno degli argomenti principali di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell'estrazione dei fasci mediante stripping dal CS. Lo studio ha permesso di individuare: i) la posizione dello stripper foil per ciascun ione da estrarre mediante stripping; ii) la dimensione trasversale e la direzione del nuovo canale di estrazione del CS da utilizzare per tutti gli ioni da estrarre mediante stripping e iii) le caratteristiche dei canali magnetici da installare all'interno del nuovo canale di estrazione. Un altro importante topic di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell'iniezione del fascio all interno del CS e la sua accelerazione fino all'estrazione. Questo studio è stato possibile grazie allo sviluppo del modello di beam tracking del Ciclotrone Superconduttore, eseguito in collaborazione con l azienda Ion Beam Applications. Questo lavoro ha dimostrato che l'efficienza di trasmissione totale dall'iniezione nel ciclotrone lungo l asse verticale principale fino al sistema di estrazione (studio in cu è stato simulato anche il processo di selezione dell'energia al di fuori del CS tenendo conto del requirement di NUMEN), è solo il 2,7%, un valore molto basso se confrontato col valore previsto di 15%. Il processo di selezione dell'energia è la causa principale della bassa efficienza totale. Questo lavoro di tesi ha tuttavia dimostrato che il maggior contributo all'energy spread del fascio all estrazione è dovuto alla grande emittanza iniettata nel ciclotrone LNS. Il guadagno di energia per giro contribuisce solo parzialmente all energy spread all'estrazione, ma, in ogni caso, stabilisce un limite inferiore al minimo energy spread ottenibile per i fasci del CS. Questo valore rimane intorno allo 0,2%, circa il doppio del requisito NUMEN. E stato anche dimostrato che è possibile aumentare l'efficienza di iniezione fino ad un fattore di 1,7, applicando ai dee tensioni più elevate rispetto a quella nominale e modificando leggermente il disegno della regione centrale esistente. Questa tesi consente anche di stabilire una roadmap delle attività da svolgere nel corso dei prossimi mesi/anni per potere effettivamente ottenere le richieste in termini di qualità del fascio del progetto NUMEN. In base ai risultati delle simulazioni, l'obiettivo di riduzione dell energy spread può essere raggiunto solo prestando attenzione alla produzione e al trasporto del fascio ionico al CS, poiché questi processi determinano il valore dell'emittanza orizzontale e verticale nella regione centrale.