Disseny d'una font de protons ECR en el marc d'un experiment per desenvolupar ciclotrons compactes d'alta intensitat

Abstract

El principal objectiu d’aquest projecte és proporcionar un disseny conceptual i detallat d’una font de ions ECR (Electron Cyclotron Resonance) que servirà com a font externa de protons en un banc de proves experimental. Aquest representa un punt clau en el projecte d’investigació proposat per la Technology and Engineering Division del Plasma Science and Fusion Center del Massachusetts Institute of Technology per determinar el límit superior d’intensitat en un ciclotró superconductor d’una sola etapa. Aquesta recerca significarà un gran avanç en una tecnologia que té aplicacions en el camp de detecció de materials nuclears especials, i en el de tractament protònic de càncer. La ciència i tecnologia involucrada en les fonts de ions és molt complexa. A més del disseny mecànic complet, aquest projecte inclou principis bàsics de la física del plasma, els quals són essencials per entendre el funcionament d’una font de ions, incloent paràmetres bàsics d’un plasma, processos de ionització i efectes de camp magnètic, que tenen gran importància en el disseny d’una font de ions del tipus ECR. El concepte genèric de font de ions es basa en una font de plasma i un sistema electrostàtic d’extracció capaç de generar el raig. Diversos tipus de fonts de ions poden ser distingides depenent de com es compleixin aquestes dues funcions. En concret, un d’aquests tipus és el de les fonts ECR, que utilitza el fenomen físic de ECR per escalfar el plasma i assolir les temperatures necessàries per tal que les reaccions de ionització tinguin lloc. L’ús d’aquesta tecnologia requereix la comprensió de tots els principals sistemes que la formen: càmera de plasma, sistema d’escalfament per microones, sistema magnètic i sistema d’extracció. A part dels components mencionats, el disseny ha de cobrir altres funcions: refrigeració del sistema, aïllament d’alta tensió i suport i connexions mecàniques generals. Per proporcionar un disseny complet de la font de ions, és necessari descriure cadascun dels sistemes i subsistemes, així com dissenyar, individualment i en concordança amb la resta de l’aparell, cada component de la font de ions. Codis informàtics com POISSON, que dóna informació sobre el camp magnètic, o BEAM3D, per simular l’extracció del raig en una font de ions ECR, seran utilitzats per dirigir i verificar el disseny. Després de l’estudi adequat de tots els sistemes que formen la font de protons, en aquest document es presenta el disseny final detallat. Es mostren tots els mètodes de càlcul i consideracions necessàries per cada component, així com un plànol detallat de cada peça de l’assemblatge. El projecte també inclou anàlisis econòmic i mediambiental, concloent que el cost total del projecte és de 75,197.44€ i que no representa cap impacte significatiu sobre el medi ambient. Aquest document no només ofereix un disseny complet de la font, sinó que també és una guia completa i documentada per la comprensió i disseny d’una font de ions ECR.