Study of an Ion Beam Accelerator for the LINAC Research Center in Spain

Autor: Ordúz, A. K.
Přispěvatelé: Martel Bravo, Ismael, Villari, A. C. C., Universidad de Huelva. Departamento de Física Aplicada
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Arias Montano. Repositorio Institucional de la Universidad de Huelva
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Popis: This thesis focuses on the study of an ion beam accelerator for the LINAC Research Center (LINCE) in Spain. The proposed superconducting LINAC operates at 72.75MHz and is designed to accelerate, in a first phase, light and heavy ions with mass-to-charge ratio in the range A/Q = 1 to 7 and beam energies from 500 keV/n to about 8MeV/n for heavy ions, and 40MeV for protons. LINCE developed from a previous project, the Linac Research Facility (LRF), an initiative to install a high-intensity, light- and heavy-Ion accelerator in the University of Huelva (Spain). The facility would be dedicated to basic nuclear research and multidisciplinary applications, notably using a high-intensity proton beam for radioisotope production of medical interest. Therefore, the main challenge of this thesis has been to devise a multi-ion LINAC accelerator capable of producing both high-intensity protons and heavy-ions with large A/Q. LINCE and LRF gathered a wide community of nuclear physicists and industrial shareholders from Spain and abroad, which contributed to different R&D activities coordinated by the local team at the University of Huelva. This thesis details the beam dynamics of the LINAC and the design of selected accelerator elements, with special emphasis in a key element of the facility: the radiofrequency quadrupole (RFQ). The codes TRACK, DESRFQ and MAD-X have been used for particle tracking simulations, COMSOL MULTIPHYSICS for radio-frequency (RF), thermal and structural analysis, and AUTOCAD INVENTOR for the mechanical design. This document is presented in seven chapters that cover beam dynamics studies, the design of accelerator elements, geometry models, RF simulations, and engineering studies of the structure including heating, cooling and mechanical displacements.
En el presente trabajo, se propone un acelerador superconductor LINAC que utilice tecnología punta para producir haces de iones pesados de alta intensidad de hasta alrededor de 8MeV/n y de protones de aproximadamente 40MeV. Se estudia la dinámica del 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 de 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 AIQ = 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 ras cavidades superconductoras, utilizando una selección de iones y energías, y los parámetros del 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 del 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, fa 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 LINAC, 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 Capitulo 2. En el Capitulo 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 Capitulo 4. Se incluyen los parámetros relevantes del mis[Ylo y un estudio detallado de aceleración de protones e iones pesados a través de LINCE. El capitulo 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 72.75MHz. Este estudio incluye el diseño de los canales de refrigeración, y los resultados para la transmisión 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 capitulo 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.
Databáze: OpenAIRE
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