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

espanolEn el presente trabajo, se propone un acelerador superconductor LINAC que utilice tecnologia 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 dinamica de haz de dicho acelerador y, en particular, se ha prestado especial atencion al desarrollo de un nuevo diseno 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 caracteristicas del haz antes de ser inyectadas en cavidades aceleradoras en radio frecuencia. Esta tesis presenta los estudios teoricos y el modelado de una RFQ de cuatro vanos que opera en 72.75MHz, disenada para acelerar iones en el rango de relacion masa/carga A/Q = 1 - 1/7, de 40 keV/u a 500 keV/u. La primera parte de este estudio se enfoco en el estudio de la dinamica de haz para el acelerador en general, desde la fuente de iones hasta las cavidades superconductoras, utilizando una seleccion de iones y energias, y los parametros de haz (intensidad, emitancia transversal y longitudinal, longitud, etc.) requeridos por el programa cientifico. Esto define el diseno de la instalacion y las caracteristicas principales de las lineas de transporte de haz y los elementos de aceleracion, como por ejemplo la RFQ y las cavidades superconductoras de radio frecuencia. Las caracteristicas de haz en la fuente de iones se obtuvieron del modelo Supernanogam de Pantechnik, una fuente de iones multiples de alta intensidad ampliamente utilizada en aceleradores de iones pesados. Despues de haber establecido las caracteristicas principales y los rangos de los parametros para los haces a la entrada/salida de la RFQ, la tesis continua con un estudio electromagnetico y tecnico detallado, que incluye deformaciones termicas y analisis de errores de mecanizado. El diseno se llevo a cabo utilizando los codigos TRACK y DESRFQ y MAD-X para las simulaciones de seguimiento y transporte de iones, COMSOL MULTIPHYSIC para los analisis termicos, estructurales y de radiofrecuencia e INVENTOR para el diseno mecanico. El estudio para el diseno del acelerador se compagino con la contribucion de determinadas mediciones de fisica nuclear en las principales instalaciones de aceleradores de la UE (LNL, HIE-ISOLDE y GSI). Esto brindo la oportunidad de aprender aspectos relevantes de la operacion y puesta en marcha de un LINCA, asi como la posibilidad de familiarizarse con los principales parametros de los detectores y las caracteristicas de haz solicitadas por los fisicos nucleares. Esta informacion fue extremadamente util para definir los parametros de diseno de ECOS-LINCE y, en particular, para el sistema de RFQ. La tesis se presenta en siete capitulos; una breve descripcion de su contenido es presentado a continuacion. El Capitulo 1 contiene una introduccion del proyecto LINCE y sus aplicaciones, donde se presta especial atencion a la investigacion en medicina. Los principales parametros y requisitos de diseno 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, asi como la metodologia y las herramientas utilizadas para realizar el estudio. El estudio de dinamica de haz para todo el acelerador se presenta en el Capitulo 4. Se incluyen los parametros relevantes del mismo y un estudio detallado de aceleracion de protones e iones pesados a traves de LINCE. El capitulo 5 esta dedicado al diseno de la RFQ. Las primeras tres secciones contienen el estudio especifico de dinamica de haz, el modelado electromagnetico, y los analisis termicos y estructurales para el modelo de cuatro vanos de 72.75 MHz. Este estudio incluye el diseno de los canales de refrigeracion, y los resultados para la trasmision de calor, stress mecanico, deformaciones y cambios de frecuencia. La ultima seccion esta dedicada al diseno de una RFQ de cuatro barras de 200MHz para la aceleracion de protones e iones ligeros (A/Q=3). En el capitulo 6 se presenta el proceso seguido para la construccion de los prototipos. Este capitulo describe el proceso de fabricacion 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 mas importantes en el capitulo 7. EnglishThis 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.