New developments of high current beam profile monitors for ion accelerators applied to fusion material research

Resumen

Actualmente los aceleradores de partículas se han convertido en instrumentos clave en diferentes áreas, desde la ciencia de materiales hasta la sanidad. Mientras muchas más disciplinas encuentran en ellos una herramienta adecuada a sus necesidades, ellos deben especializarse y adaptarse para producir nuevos tipos de haces de partículas. En el caso de los aceleradores de iones, la necesidad de mayores corrientes y potencias para incrementar la producción de partículas secundarias lleva a los diagnósticos clásicos a su límite. Cuando se mide el perfil del haz en esos aceleradores de alta corriente y potencia los diagnósticos interceptivos no son capaces de aguantar la elevada deposición de potencia y son destruidos, surgiendo de ahí la necesidad de otro tipo de diagnósticos. Para poder medir y monitorizar el perfil con haces de alta corriente existen diferentes métodos, todos ellos minimamente invasivos, basados en la interacción del haz con partículas externas. En este trabajo nos centraremos en cómo usar la luz de fluorescencia emitida en las transiciones electrónicas provocadas por la acción del haz en los átomos y/o moléculas del gas circundante, bien sea el residual dejado por el vacío o inyectado externamente. El presente trabajo empieza con varios capítulos de introducción en la materia, donde se da una justificación de las necesidades actuales de aceleradores, seguida de una visión general de los diferentes diagnósticos del haz. Después se centra en los aspectos teóricos y prácticos de los Monitores de Perfil de Fluorescencia. La discusión se desplaza a los diferentes efectos que producen una distorsión del perfil del haz, con un énfasis especial en la deriva de partículas excitadas previa a decaer a niveles estables emitiendo fotones, presentándose dos aproximaciones para corregir las medidas del perfil. Los siguientes capítulos versan sobre el trabajo experimental realizado. Primero se presentan los resultados obtenidos durante una de las etapas de puesta en marcha del inyector del acelerador LIPAc, donde los perfiles adquiridos con una cámara CID intensificada y un espectrómetro Doppler se analizan y comparan con los obtenidos con un escáner Allison. Debido a la configuración mínima de la fuente de iones, con los diagnósticos situados justo detrás de la columna de aceleración, se pudo obtener mucha información acerca de las condiciones de trabajo del inyector. La discusión se desplaza a continuación al diseño de los Monitores de Perfil de Fluorescencia para las áreas de alta radiación del acelerador de deuterones DONES, donde la elevada dosis de radiación y los estrictos requerimientos del haz llevan al límite las capacidades de los actuales Monitores de Perfil de Fluorescencia. Para finalizar, se presenta el diseño, fabricación y los resultados de un experimento para medir el impacto de diferentes gases y vapor de litio en los perfiles medidos con protones de varios MeV de energía, donde un amplio trabajo se ha llevado a cabo para garantizar un sistema seguro debido a la presencia de metales líquidos y compatible con la flexibilidad requerida por las necesidades científicas. La tesis finaliza destacando las conclusiones principales del trabajo realizado. En el apartado de distorsión del perfil, la validez del método es correcta y está de acuerdo con los resultados de las simulaciones cuando se cumplen las suposiciones iniciales. Los resultados obtenidos durante la puesta en marcha del inyector de LIPAc han sido de gran ayuda, dado que mostraron un desalineamiento en los electrodos de aceleración, así como inconsistencias entre la medida del perfil de fluorescencia y el obtenido con el EMU. Finalmente, se presentan las conclusiones y futuros pasos en el diseño del nuevo Monitor de Perfil de Fluorescencia para las áreas de elevada radiación de DONES, junto con el experimento asociado, destacando la importancia del fondo de radiación en el rendimiento del detector.