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Descrizione tecnica del ciclotrone da 70 MeV del progetto SPES ai Laboratori

Nazionali di Legnaro

Seminario su: Impianto sperimentale sottocritico a neutroni veloci in Piombo solido a bassa potenza sostenuto da acceleratore di protoni

Auditorium Ansaldo Energia, via N.Lorenzi 8 Genova

Gianfranco PreteSPES project leader

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Sommario:•Il ciclotrone di SPES

•Stato del progetto

•Contesto edilizio

•Descrizione tecnica

•Carico di lavoro

RFQ di IFMIF-EVEDA

SPES SPES CyclotronCyclotron

Main Characteristics:

Beams pENERGY 35‐70 MeVCurrent >700 μAExtracted Beams Dual Port Exit 

300‐500μABeam Loss < 5% Affidability >5000  hours/year

Main Characteristics:

Beams pENERGY 35‐70 MeVCurrent >700 μAExtracted Beams Dual Port Exit 

300‐500μABeam Loss < 5% Affidability >5000  hours/year

Schedule:Contract signed Oct 28th, 2010Total cost 10.5M€ (IVA included)

Cyclotron Delivery  end 2013‐2014

Schedule:Contract signed Oct 28th, 2010Total cost 10.5M€ (IVA included)

Cyclotron Delivery  end 2013‐2014

A second generation ISOL facility for neutron‐rich ion beams and an interdisciplinary research center

SPES ISOL facilityProton induced fission on UCx1013 fission/s 8 kW on direct target 

SPES ISOL facility at LNL

Proton driverISOL target 1 (8kW)

ISOL target 2

High Resolution Mass Spectrometer

Charge Breeder

Exotic be

am transfer

 to PIAVE

‐ALPI

Proton and neutron applicationsHV platform

260kV

Total cost ~ 48 Meuro

SPES Facility Layout

the SPES facility inside LNLthe SPES facility inside LNL

ALPI

Tandem

Exp. Hall 3

Spes isol

Exten

sion for 

applications

~ 50 x 60 m2

ISOL FACILITY

SPES layout 

SPES phase alpha: construction of an ISOL facility  able to deliverNeutron Rich beams to the ALPI linac accelerator 

SPES phase alpha: construction of an ISOL facility  able to deliverNeutron Rich beams to the ALPI linac accelerator 

Task Infrastructures

• Defined the functional description of the SPES building.

• Defined the general layout, the plants needs, optimizing the space considering the people and instrumentation paths inside the facility.

• A dialogue with the Infrastructures contractor is in progress to define the executive project.

• Executive project expected at end of June 2011.

• Building construction: 2012‐2013.

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Descrizione tecnica del Ciclotrone SPES da 70 MeV dei Laboratori Nazionali di Legnaro

dell’INFN

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Cyclotron operation principleLawrence (idea 1929, Nobel price1939)

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The cyclotron layout with the two distribution magnets for the two extraction linesThe cyclotron layout with the two distribution magnets for the two extraction lines

Magnete:Diametro                 4.5 mAltezzza 2.3 mPeso                         200 tCampo magnetico 1.6 Tesla

Magnete:Diametro                 4.5 mAltezzza 2.3 mPeso                         200 tCampo magnetico 1.6 Tesla

Potenza totale 270kVA

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Cavità di accelerazione a radiofrequenza

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The injection line

MULTI-CUSP Source configuration

Envelopes for the 8mA H‐ beam with 95% neutralization

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The electrodes of the central region are the crucial components for a compact cyclotron.The principle of the design is that the central region is capable of accepting 40keV H- beam.

Central RegionSpiral inflector design

Energy step=400 KeV

Frequenza RF ciclotrone: ~ 58 MHz (4a armonica)

Struttura temporale del fascio di protoni estratto dal ciclotrone SPES

τp Tp

Accettanza: ~ 40 deg

τp ~ 2 ns

Tp ~ 17,2 ns

Ιpeak ~ 6.75 mA

Ιave = Ιpeak · 40/360 ~750uA

Spread in energia del fascio estratto a 70 MeValla massima potenza

Potenza media fascio estratto:0.5mA x 70MeV= 35kW

Potenza di picco:6.7mA x 70MeV= 470kW

Potenza media fascio estratto:0.5mA x 70MeV= 35kW

Potenza di picco:6.7mA x 70MeV= 470kW

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Charge exchange extraction using a stripper foil. Due to the aging of the stripper it has to be changed every day. The needed time for the stripper change and the retuning of the beam extraction is about15 minutes/day.

Cambio del carosello di stripper: ogni 15-20 giorni con tempi di interventodi circa 2 ore

STRIPPER beam extraction

A carusel with multi stripper mountingallows for long termoperation (15-20 days)

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Beam Losses energy from 0 MeV to 70 MeV

By Lorentz strippingFraction of H- Dissociated: 2.46925E-03Total length of Trajectory: 1861.94 m

By vacuum dissociationFraction of H- Dissociated by Gas: 2.00296E-02pressure (N2 equavalent): 1.000000000000000E-007

design values radioprotectionvalues for FLUKA calc.

0-10MeV 7.64361E-03 0.7% 0-10MeV 5μA 20μA 0-20MeV 1.07035E-02 0.3% 10-20MeV 2μA 10μA 0-30MeV 1.30768E-02 0.2% 20-30MeV 1.5μA 10μA 0-70MeV 2.00296E-02 0.7% 30-70MeV 5μA 20μA

extraction stripper 1 % 70MeV 5μA 40μA

The main source of beam loss is the vacuum inside the cyclotron

Task Radioprotezione

Vano ciclotrone – verifica schermature

Equivalente di dose ambientale (neutroni) in pianta10-20 μSv/h

Zona interdetta

durante l’irraggiamento

Vano ciclotrone – schermature

Punti critici per l’operazione:•Attivazione dell’aria•Attivazione dei materiali

Punti critici per l’operazione:•Attivazione dell’aria•Attivazione dei materiali

Task Radioprotezione

Vano ciclotrone – verifica schermature

Equivalente di dose ambientale (gamma) in pianta1-2 μSv/h

durante l’irraggiamento

Vano ciclotrone – schermature

SPES CYCLOTRON load work per year

2 weeks per shiftBeam preparation 2 daysBeam on target 12 days

Beam on target 280 hours per shift

Each bunker will cool down for 14 days after target irradiation.

Expected Beam on target: more than10000 hours per year

Proton beam

N.rs ofSHIFTS Beam on target:

Total 10600 hoursISOL 1 300μA

40MeV10 2800

Irradiation 1 500 μA70MeV

9 2500

Irradiation 2 500 μA70MeV

10 2800

ISOL 2 300 μA40MeV

9 2500

Maintanance 7 7x14x24= 2350

CyclotronOperation

19 19x12x24= 5462 esperiment19X2x24= 912 beampreparation

IFMIF e IFMIF‐EVEDA

Responsabilità INFN: RFQ di alta potenza (deutoni, 5MeV, 130mA)

The “grand” IFMIF (2015 ?) (International Fusion Materials Irradiation Facility)

0 20 40m

Ion SourceRFQ

Li Target

High Energy BeamTransport

Li Loop

Test modules insideTest Cell

PIE Facilities

Final goal: neutron source operated by two deuteron beams of 40MeV, 125mA (5 MW each, 10 MW total power on target).

Preliminary project: IFMIF-EVEDA•Deuteron source•RFQ 5MeV, 130mA (650 kW)•Superconductive DTL for a final 9 Mev, 130 mA (1MW) deuteron beam

2008

2009

2011

2013

today

2010

2012

design and prototypeproduction

Modulesproduction

Installation and commissioning

2014

2007

2008

2009

2011

2013

today

2010

2012

design and prototypeproduction

Modulesproduction

Installation and commissioning

2014

2007

• Altissima intensità, 25 volte SPIRAL2 e 250 volte il ciclotrone di SPES.

LNLM. ComunianE. FagottiJ. EspositoF. Grespan

L. AntonazziA. PalmieriM. GiacchiniA. PolatoC. RoncolatoF. Poletto

PDA. PepatoM. BenettoniR. DimaF.

Scantam

L. RaminaM. RampazzoM. Romanato….off….

TOP. MereuD. DattolaG.Giraudo..off..

BOA.MargottiM. Guerzoni..off..

Budget INFN (ext.)

25 M€ [7 (80% imp.)]

Radio Frequency Quadrupole

130 mA 9 MeV deuteron beami.e. 1.2 MW beam power16 RF chains 200 kW each (Ciemat)RFQ 0.1 – 5 MeV (INFN)SRF linac 5-9 MeV (CEA)

0.1 MeV

Injector5 MeV

SRF Linac

Beam Dump

40 m

Radio Frequency Quadrupole

130 mA 9 MeV deuteron beami.e. 1.2 MW beam power16 RF chains 200 kW each (Ciemat)RFQ 0.1 – 5 MeV (INFN)SRF linac 5-9 MeV (CEA)

Radio Frequency Quadrupole

Radio Frequency Quadrupole

130 mA 9 MeV deuteron beami.e. 1.2 MW beam power16 RF chains 200 kW each (Ciemat)RFQ 0.1 – 5 MeV (INFN)SRF linac 5-9 MeV (CEA)

0.1 MeV

Injector5 MeV

SRF Linac

Beam Dump

40 m

Acceleratore prototipo di IFMIF

Beam

PDR

DDR

Sfide per l’RFQ di IFMIF EVEDA

– 650 kW di fascio (5MeV, 130 mA) da accelerare con basse perdite e bassa attivazione della struttura per consentire la manutenzione ( Beam losses<10 mA et <0.1 mA between 4 MeVand 5 MeV). 

– 600 kW di potenza RF dissipata nella struttura: le strette tolleranze meccaniche debbono essere mantenute in esercizio

– Questo RFQ sarà il più grande mai costruito. • Massimo uso dell’esperienza TRASCO (incluse brasature al CERN) • Massimo utilizzo delle capacità di produzione interne INFN 

(progettazione, lavorazioni, misure and brasature)• Rendere la produzione semplice e possibile a più partner industriali 

• Attualmente, completato il prototipo, è in corso la procedura di acquisto per la produzione industriale di 6 dei 18 moduli. 

Name Lab ion energy vane beam RF Cu Freq. length beamvoltage current power power m structure

MeV/u kV mA kW kW MHzIFMIF EVEDA LNL d 2,5 79-132 130 650 585 175 9,8 CW

Primo prototipo brasato a LNL fine ottobre 2010.Progettazione e costruzione INFN sezioni PD e TO

New lab at LNL for RFQ annealing and brazing

1

Dummy tuners

Tunable end cell

Dielectric Bead pulling

‐0.02

‐0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 2 4 6 8 10

dUd1

/UQ0

z[m]

1st iteration

2nd iteration

3rd iteration

4th iteration

Test di tuning sul modello IFMIF RFQ convergenza in 4 iteraz.

Field distribution

IFMIF RFQ: full scale model (9.8 m)

Test di accordatura

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Grazie dell’attenzione