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COM’E’ FATTA SPIDER
di cosa si compone e
quali sono i sistemi diagnostici che utilizza

Dove alloggia SPIDER

L’esperimento SPIDER è ospitato nell’edificio 1 dell’impianto NBTF (foto in basso a sinistra) insieme a MITICA, il prototipo dell’iniettore (nella foto rappresentato in grigio). SPIDER alloggia in un bunker di cemento armato che, una volta chiuso, protegge da eventuali fughe di neutroni e permette quindi di accedere in siurezza nell’edificio 1 anche durante la sperimentazione.

Dov’è inserita SPIDER

La sorgente e le diagnostiche sono a loro volta inserite in una camera da vuoto formata da due parti cilindriche e da due coperchi per 4 metri di diametro e 6 metri di lunghezza complessivi, come vediamo nelle foto.

Sulla camera da vuoto sono collocate molte aperture che permettono di inserire gli strumenti diagnostici e di effettuare le connessioni con il sistema che mantiene la struttura in vuoto, il sistema di alimentazione e quello di raffreddamento.

Di cosa si compone SPIDER

La sorgente di ioni negativi, è composta da più di 1000 parti in alluminio e rame, ed è formata da un contenitore con 8 antenne in cui viene formato il plasma grazie ad una corrente a Radiofrequenza a 1MHz e da TRE GRIGLIE di plasma e di estrazione di ioni negativi.

Gli ioni negativi sono estratti dal plasma grazie alla differenza di potenziale elettrico della griglia di plasma e, successivamente, accelerati passando attraverso la griglia di terra.

Più in dettaglio, la prima griglia è detta “griglia di plasma” e, anche grazie all’utilizzo di Cesio, seleziona le particelle negative.
La seconda griglia o “griglia di estrazione” devia, con i suoi magneti, gli elettroni permettendo agli ioni negativi di continuare il loro viaggio.
L’ultima griglia o “griglia di terra” accelera gli ioni in un fascio che viene intercettato da un calorimetro ( che assorbe la potenza e consente le misure di energia).

I sistemi diagnostici di SPIDER

Data l’importanza delle misure, in SPIDER sono previsti DUE CALORIMETRI: STRIKE e il BEAM DUMP, la cui combinazione consente di esplorare condizioni operative molto diverse tra loro.

STRIKE è un calorimetro ad alta risoluzione, che consente di fare misure con la precisione di alcuni millimetri (circa 3mm), tuttavia non è in grado operare in impulsi di durata superiore a qualche secondo in quanto non raffreddato.

Più in dettaglio, STRIKE è composto da due pannelli mobili di tegoli di fibra di grafite che possono essere mossi in posizione trasversale.

Quando i pannelli sono chiusi, intercettano il fascio; il calore assorbito si trasmette, attraverso le fibre sul retro dei tegoli e, per mezzo di telecamere a infrarosso, è possibile ricostruire la mappa termica del fascio con alta precisione.

SRIKE è il principale sistema diagnostico di SPIDER, progettato per caratterizzare, in termini di uniformità e divergenza, il fascio di ioni negativi.

Il Beam Dump è un calorimetro raffreddato ad acqua ed è pertanto in grado di assorbire la piena potenza in regime stazionario. E’ dotato di termocopie per le misure calorimetriche.

Il Beam Dump è costituito da due pannelli con un angolo di incidenza di 60 gradi. Sul suo retro corrono i tubi del sistema di raffreddamento, costruiti in modo da consentire l’espansione termica delle tegole del calorimentro. Le tegole sono formate da una lega speciale di cromo, rame e zinco per resistere alle alte temperature.

Il Beam Dump è posto dopo Strike e di diventa operativo solo quando i pannelli di STRIKE sono aperti. A differenza di STRIKE, la risoluzione è solo di alcuni centimetri, ma può operare a piena potenza e per impulsi lunghi.

Altri sistemi diagnostici di SPIDER

La caratterizzazione del fascio di ioni negativi e la valutazione del funzionamento dei componenti di SPIDER richiede ulteriori sistemi diagnostici.

Per l’analisi dell’intensità e l’energia del fascio:

  • Calorimetria e termocoppie di superficie
  • Calorimetro STRIKE
  • Spettroscopia di emissione del raggio
  • Tomografia a fascio
  • Imaging dei neutroni

Per misurare l’uniformità del plasma:

  • Calorimetria e termocopie di superficie
  • Sonde elettrostatiche
  • Spettroscopia di emissione
  • Cavity Ring Down Spectroscopy
  • Spettroscopia di assorbimento Laser

In questo breve video, Marco Barbisan ci racconta come funziona la diagnostica Cavity Ring Down Spectroscopy, usata per misurare quandi ioni negativi vengono generati in SPIDER.

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Il sistema di alimentazione di SPIDER

Il Sistema di alimentazione di SPIDER è formato da tre trasformatori di fornitura indiana e da una camera ad alto voltaggio (High Voltage Deck). Questo sistema porta 100kV di tensione nell’esperimento SPIDER.
High Voltage Deck è una grande gabbia di faraday lunga 13 metri, alta 5 metri e larga 11 metri, appoggiata su degli isolatori che la proteggono dal rischio sismico.
Il sistema di alimentazioni è collocato in una stanza adiacente all’esperimento ed è collegata ad esso mediante una linea di trasmissione in rame lunga 30 metri

Il sistema di raffreddamento di SPIDER

Al sistema di raffreddamento di SPIDER e MITICA è dedicato un intero edificio. Il sistema è in grado di dissipare fino a 70 MW di potenza ed è diviso in 3 circuiti.

Il primo circuito è in contatto diretto con i componenti dell’esperimento in altissima tensione. Per evitare il rischio di trasportare oltre al calore anche la tensione elettrica, è utilizzata l’acqua ultrapura che è un cattivo conduttore al contrario dell’acqua normale o quella di mare.

Il circuito secondario conduce il calore in due grandi vasche, nel sottosuolo dell’edificio, rispettivamente di 315 m3 e di 545 m3, dove viene immagazzinato e rilasciato lentamente al terzo sistema.

Il circuito terziario è composto da torri evaporative che rilasciano nell’ambiente, e in modo molto graduale, il calore stoccato nelle vasche del secondo sistema

LA FISICA della sorgente di ioni negativi

Come avviene l’estrazione delle particelle?
Osserviamo l’esperimento

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Fasci di particelle negative che colpiscono la diagnostica Strike

Grazie alla tensione, fino a 12 kV, che si crea tra le griglie più vicine al plasma (la griglia di plasma e di estrazione) le particelle negative vengono estratte.
Avviene che un pò di tensione penetra nel plasma retrostante le griglie andando a spingere le particelle negative dentro le griglie.

A questo punto le particelle negative si trovano di fronte ad un altro importante passaggio: a livello della griglia di estrazione magneti permanenti deviano la triettoria degli elettroni (più piccoli rispetto agli ioni negativi) senza influenzare la traiettoria degli ioni negativi di idrogeno (più pesanti) che continuano la loro corsa verso la griglia di terra.

Non è da dimenticare che lo spostamento degli ioni negativi di idrogeno e la loro accelerazione avviene sempre grazie alla tensione applicata tra le griglie.

La tensione applicata tra la griglia di estrazione e quella di terra, fissa a  100 kV, è fondamentale per dare accelerazione al fascio. Gli ioni negativi di idrogeno soggetti a questa tensione vengono accelerati uscendo dalla griglia di terra e andando a colpire la diagnostica STRIKE, in grado di determinare la bontà del fascio ottenuto.

L’accelerazione degli ioni negativi di idrogeno si può calcolare sommando la tensione applicata tra le griglie, al massimo della potenza quindi avranno un’energia di 112 keV.


Qualche curiosità in più

Come sappiamo che l’esperimento ha funzionato? Grazie alle diagnostiche.
In questo caso sono state utilizzate 4 diagnostiche:

La telecamera nel visibile che ha mostrato i fascetti, con visione perpendicolare alle griglie.

STRIKE ha rilevato il calore del fascio che lo ha colpito mediante la telecamera a infrarossi che ha letto “ripreso” i dati raccolti su suo retro.

La corrente è stata rilevata dall’Extraction Grid Power Supply (Alimentazione elettrica della griglia di estrazione) che registra i segnali elettrici in entrata ed uscita permettendo di conoscere la corrente del fascio.

La diagnostica BES (Beam Extraction Spetroscopy – Spettroscopia di Emissione del Fascio) ha confermato che le particelle negative che formano il fascio sono H-, grazie alla spettroscopia che ha misurato un picco a 65670 Angstrom tipo di questa specie chimica.

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Rendering del prototipo SPIDER

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