Study of an ion beam accelerator for the LINAC Research Center in Spain

Resumen

En el presente trabajo, se propone un acelerador superconductor LINAC que utilice tecnología punta para producir haces de iones pasados de alta intensidad de hasta alrededor de 8MeV/n y de protones de aproximadamente 40MeV. Se estudia la dinámica de haz de dicho acelerador y, en particular, se ha prestado especial atención al desarrollo de un nuevo diseño para un inyector cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) a temperatura ambiente para el LINAC propuesto. Los cuadrupolos de radiofrecuencia (RFQ) son componentes esenciales de los aceleradores modernos de alta intensidad; se utilizan para agrupar, pre-acelerar y optimizar las características del haz antes de ser inyectadas en cavidades aceleradoras en radio frecuencia. Esta tesis presenta los estudios teóricos y el modelado de una RFQ de cuatro vanos que opera en 72.75MHz, diseñada para acelerar iones en el rango de relación masa/carga A/Q = 1 - 1/7, de 40 keV/u a 500 keV/u. La primera parte de este estudio se enfocó en el estudio de la dinámica de haz para el acelerador en general, desde la fuente de iones hasta las cavidades superconductoras, utilizando una selección de iones y energías, y los parámetros de haz (intensidad, emitancia transversal y longitudinal, longitud, etc.) requeridos por el programa científico. Esto define el diseño de la instalación y las características principales de las líneas de transporte de haz y los elementos de aceleración, como por ejemplo la RFQ y las cavidades superconductoras de radio frecuencia. Las características de haz en la fuente de iones se obtuvieron del modelo Supernanogam de Pantechnik, una fuente de iones múltiples de alta intensidad ampliamente utilizada en aceleradores de iones pesados. Después de haber establecido las características principales y los rangos de los parámetros para los haces a la entrada/salida de la RFQ, la tesis continúa con un estudio electromagnético y técnico detallado, que incluye deformaciones térmicas y análisis de errores de mecanizado. El diseño se llevó a cabo utilizando los códigos TRACK y DESRFQ y MAD-X para las simulaciones de seguimiento y transporte de iones, COMSOL MULTIPHYSIC para los análisis térmicos, estructurales y de radiofrecuencia e INVENTOR para el diseño mecánico. El estudio para el diseño del acelerador se compaginó con la contribución de determinadas mediciones de física nuclear en las principales instalaciones de aceleradores de la UE (LNL, HIE-ISOLDE y GSI). Esto brindó la oportunidad de aprender aspectos relevantes de la operación y puesta en marcha de un LINCA, así como la posibilidad de familiarizarse con los principales parámetros de los detectores y las características de haz solicitadas por los físicos nucleares. Esta información fue extremadamente útil para definir los parámetros de diseño de ECOS-LINCE y, en particular, para el sistema de RFQ. La tesis se presenta en siete capítulos; una breve descripción de su contenido es presentado a continuación. El Capítulo 1 contiene una introducción del proyecto LINCE y sus aplicaciones, donde se presta especial atención a la investigación en medicina. Los principales parámetros y requisitos de diseño para LINCE se presentan en el Capítulo 2. En el Capítulo 3 se describen los fundamentos de los aceleradores de radiofrecuencia y de la RFQ, así como la metodología y las herramientas utilizadas para realizar el estudio. El estudio de dinámica de haz para todo el acelerador se presenta en el Capítulo 4. Se incluyen los parámetros relevantes del mismo y un estudio detallado de aceleración de protones e iones pesados a través de LINCE. El capítulo 5 está dedicado al diseño de la RFQ. Las primeras tres secciones contienen el estudio específico de dinámica de haz, el modelado electromagnético, y los análisis térmicos y estructurales para el modelo de cuatro vanos de 72.75 MHz. Este estudio incluye el diseño de los canales de refrigeración, y los resultados para la trasmisión de calor, stress mecánico, deformaciones y cambios de frecuencia. La última sección está dedicada al diseño de una RFQ de cuatro barras de 200MHz para la aceleración de protones e iones ligeros (A/Q=3). En el capítulo 6 se presenta el proceso seguido para la construcción de los prototipos. Este capítulo describe el proceso de fabricación de los modelos de aluminio y cobre, y los resultados de las pruebas de radiofrecuencia. Finalmente, se presenta un resumen de la tesis junto con las conclusiones más importantes en el capítulo 7.