PROPOSTA
DI NUOVO ESPERIMENTO
COOLBEAM
Physics and Techniques of Charged
Particle Manipulation at Low Energy
M. Romé
INFN Sezione di Milano e Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano
25/9/2012
INFN CSN V, Riunione 9/2012 (Roma)
1
Contesto
Linea di ricerca
Studio delle tecniche di manipolazione e di raffreddamento di particelle
cariche a bassa energia; effetti di carica spaziale; sorgenti di particelle
cariche.
Processo fisico studiato
Manipolazione e raffreddamento di fasci di elettroni e ioni; effetti di carica
spaziale; sorgenti di particelle cariche; confinamento RF e termalizzazione per
mezzo di un gas tampone di ioni a basse energie con inclusi effetti di carica
spaziale.
Sezioni partecipanti; durata esperimento
MI, LNL; 3 anni.
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Interesse [1]
• Tecniche di manipolazione di ensemble di particelle cariche a bassa energia.
Lo studio:
trova applicazioni quali confinamento e manipolazione (raffreddamento,
eccitazione) di specie esotiche o antimateria (es.: esperimenti
ISOLTRAP, ALPHA, AEGIS @CERN; SHIPTRAP, HITRAP @GSI);
consente l’acquisizione di conoscenze adatte allo sviluppo di dispositivi di
misurazione fine di masse nucleari e in genere di spettroscopia nucleare.
• Manipolazione e controllo della caratteristiche di coerenza (energia,
monocromaticità, emittanza, ecc.) dei fasci di particelle cariche.
In particolare, effetti di carica spaziale possono influenzare negativamente
in maniera significativa le performance di coerenza ed efficienza di
sorgenti, acceleratori, linee di fascio. Tali effetti sono particolarmente
evidenti a basse energie (< 100 keV), ma sotto opportune condizioni dei
parametri degli esperimenti vari risultati sono scalabili anche ad energie più
elevate [Davidson & Qin, “Physics of intense charged particle beams in high
energy accelerators” (WS 2001)], di interesse ad esempio per i fotoiniettori
utilizzati in applicazioni quali FEL o accelerazione laser-plasma.
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Interesse [2]
• Sviluppo ed ottimizzazione RFQC (Radio Frequency Quadrupole Cooler)
[attuale risoluzione in massa: una parte su qualche migliaio, es.
MLLTRAP@LMU]:
esigenza di miglioramento delle prestazioni in termini di confinamento e
raffreddamento nella prospettiva di ottenere fasci esotici con intensità
di corrente sempre maggiore (≈ μA @SPIRAL2@GANIL);
necessità di sostanziale riduzione dei contaminanti prodotti dalle
stazioni target ISOL (Isotope Separation On Line)
sempre più
prestanti in termini di intensità di fasci esotici prodotti.
Nel 2016 facility SPES@LNL per produzione, trasporto e riaccelerazione fino a
10 MeV/nucleon di fasci esotici prodotti per mezzo della tecnica ISOL
(previsto utilizzo di riduttore di emittanza a gas tampone RFQC: riduzione
dimensioni trasverse e dispersione energetica dei fasci di ioni prodotti dalla
sorgente ISOL per ottimizzare il potere di risoluzione in massa dello
spettrometro preposto alla separazione isotopica).
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Esperimenti precedenti (MI)
Allo studio di fenomeni di carica spaziale e alla caratterizzazione di plasmi di
elettroni intrappolati e fasci di elettroni sono stati dedicati diversi
esperimenti condotti sulla macchina di Penning-Malmberg ELTRAP, progettata
dal gruppo di ricerca presso la Sezione di Milano.
Know-how tecnico/scientifico acquisito durante gli esperimenti ELETRASPELTEST-ELEBEAM (V-INFN, 2002-2012):
Trappole lineari per fasci di particelle cariche di bassa energia, con trasporto o
confinamento elettromagnetico (campi elettrici e magnetici statici + RF fino a
30 MHz, in fase di sviluppo nel range di qualche GHz) con iniezione ed
estrazione continua o impulsata (da sorgenti termoioniche o per fotoemissione);
studi numerici (sviluppo codici) e teorici relativi.
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Trappola di Penning-Malmberg
Parameter
Typical range
ne
106 - 108 cm-3
B
≤ 2⋅103 gauss
Te
1 - 10 eV
Pn
10-9 - 10-8 mbar
|Vplug|
≤ 100 V
Lp
10 - 100 cm
Rp
few cm
Operazione: iniezione / intrappolamento e manipolazione /estrazione e misura.
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Apparato ELTRAP (@MI)
Trappola di Penning-Malmberg modificata per lo studio dei fenomeni di carica spaziale in
fasci continui e impulsati e nei processi di manipolazione (intrappolamento) di elettroni
[http://plasma.fisica.unimi.it]. L’apparato adotta soluzioni tecniche e persegue obiettivi
scientifici alternativi e complementari rispetto a macchine di simile concezione operanti a
livello internazionale (UCSD, UCB, CERN).
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ELTRAP: linea di fascio aperta
La macchina è caratterizzata da una serie di elettrodi cilindrici (due settorati
azimutalmente), che possono funzionare sia per la generazione a RF e manipolazione
attiva del plasma intrappolato o dei fasci di elettroni (campi applicati per mezzo di waveform generators), sia come parte di diagnostica elettrostatica di basso rumore e alta
sensibilità.
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Indagini precedenti (MI)
Gli esperimenti precedenti presso la Sezione di Milano hanno riguardato:
• la manipolazione di fasci di elettroni (iniezione, intrappolamento, rotazione)
[Bettega et al., PoP 2007];
Ith = 0.02 mA, 0.04 mA, 0.08 mA, 0.10 mA, 0.14 mA; B = 366 gauss; Ekin = 20 eV, tinj= 25 ms.
B = 333, 500 and 1583 gauss; Ith = 0.64 mA; Ekin = 20 eV, tinj= 25 ms.
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Indagini precedenti (MI), cont.
• lo sviluppo e il controllo di instabilità [Bettega et al., PoP 2006, PoP 2007,
PoP 2008, JAP 2009, Maero et al., PoP 2011], di strutture coerenti e della
turbolenza [Bettega et al., NJP 2009, Romé et al., EPJ 2011];
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Indagini precedenti (MI), cont.
•
la produzione di un plasma di elettroni a radio-frequenza [Paroli et al., PSST 2010];
Quantità di carica intrappolata,
generata mediante applicazione
di RF ad un elettrodo cilindrico
settorato azimutalmente.
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Indagini precedenti (MI), cont.
• la diagnostica di plasmi e fasci con metodi ottici ed elettrostatici [Bettega
et al., MST 2008; Paroli et al., JPD:AP 2009, RSI 2010];
Ekin = 10 keV, B = 90 G
B = 300 G
B = 900 G
Bunch length versus the beam energy
(the continuous curve is the theoretical
E1/2 trend for a constant beam length).
A bunch spread at the lower energies is
evidenced due to space charge effects.
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Indagini precedenti (MI), cont.
• l’installazione e la caratterizzazione di un sistema di Thomson backscattering [Paroli et l., JINST 2012].
The photo-emitted pulsed electron bunch is extracted at an energy of 10-20 keV and focused by the
axial magnetic field B (up to 0.2 T) of the trap. The radiation of an IR laser is focused to the
interaction point with the bunch by a suitable optical system. The backscattered radiation turns out
to be in the visible range, and is detected with a PMT.
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Esperimenti precedenti (LNL)
Presso LNL sono stati condotti studi sulle tecniche di raffreddamento di fasci
di ioni prodotti da sorgenti tipo ISOL, volti a ridurne l’emittanza trasversa e la
dispersione energetica.
Know-how tecnico/scientifico acquisito durante l’esperimento REGATA (VINFN, 2011-2012)
Raffreddamento di fasci esotici attraverso collisioni con un gas tampone;
schema dell’apparato, confinamento RFQ senza campo magnetico, iniezione ed
estrazione continua.
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LNL: studio RFQC [1]
La facility SPES prevede l’utilizzo di un riduttore di emittanza a gas tampone RFQC
[Maggiore et al., HIAT2012, IPAC2012].
Schema prima parte linea di trasporto di SPES, dalla produzione dei fasci esotici alla selezione
isotopica per mezzo dell'high resolution mass spectrometer (HRMS).
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LNL: studio RFQC [2]
Schema di funzionamento di un RFQC.
Parametri di funzionamento del RFQC
e caratteristiche dei fasci esotici
prodotti dalla facility SPES.
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LNL: studio RFQC [3]
Modello elettromagnetico e dimensioni
(cm) dell’RFQC per SPES. Sono
evidenziate le tre sezioni di: iniezione,
struttura quadrupolare, estrazione.
Schema preliminare meccanico ed
elettrico della struttura quadrupolare.
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Coolbeam: programma di ricerca
Partendo dai risultati ottenuti nei precedenti esperimenti dai due gruppi
partecipanti, l’esperimento Coolbeam intende proseguire, ampliare e fondere le
diverse e complementari esperienze all’interno di una tematica comune:
indagine su manipolazione e raffreddamento di fasci di elettroni e ioni a bassa
energia, in sorgenti, linee di fascio e trappole di particelle cariche, in presenza
di effetti di carica spaziale.
Al fine di sfruttare al meglio le rispettive competenze, la ricerca verrà
strutturata in due work packages, di competenza delle due unità, ma con un
significativo overlap e interazione sotto forma di:
• scambio di know-how, strumentazioni sperimentali e numerico-simulative;
• partecipazione agli esperimenti e uso delle facilities.
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Work Package 1 (MI)
• Confinamento di elettroni a bassa energia tramite campi elettrici e
magnetici, anche in presenza di contaminanti massivi carichi;
• continuazione studio (sperimentale e numerico) di effetti di carica spaziale
sulla dinamica di fasci continui e impulsati;
• progetto e sviluppo di trappole elettromagnetiche per ensemble di particelle
cariche, anche multi-specie;
• teoria e simulazione di confinamento, manipolazione e controllo di ensemble
di particelle cariche, anche multi-specie, attraverso l’uso di codici
commerciali e lo sviluppo di codici particle-in-cell ad-hoc;
• manipolazione attiva di plasmi elettronici confinati;
• generazione di plasmi di elettroni o parzialmente neutralizzati;
• raffreddamento resistivo e/o radiativo di elettroni confinati;
• progetto, prototipazione e costruzione di strutture avanzate di elettrodi
per l’ottica del fascio e confinamento del plasma (ad esempio, elettrodi
quadrupolari DC ed RF);
• sorgenti di particelle cariche (elettroni, ioni, particelle micrometriche).
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Dettaglio attività (MI) [1]
•
Studio sperimentale uso di campi elettrici in RF per: generazione, riscaldamento,
manipolazione di plasmi di elettroni. In particolare generazione per scarica RF:
in condizioni di ultra-alto vuoto;
con l’introduzione di gas (He) a pressioni più elevate e controllate (parziale
neutralizzazione del plasma con effetti sull’equilibrio del plasma di elettroni):
valutazione quantitativa del grado di neutralizzazione (es.: mediante
opportune sonde di Langmuir compensate a RF);
tecniche di manipolazione attuabili per il controllo della dinamica del plasma
(es.: applicazione di opportuni campi elettrici “ion clearing’’).
•
Studio di fasci di elettroni impulsati con effetti di carica spaziale e loro interazione
con plasmi confinati (effetti di instabilità sul fascio, onde nel plasma, ecc.):
modifiche strutturali macchina ELTRAP (sistema iniezione RF);
upgrade delle diagnostiche [possibile reintegro di diagnostiche ottiche (schermi
al fosforo, CCD camera), già disponibili da esperimenti precedenti, e/o collettori
di carica].
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Dettaglio attività (MI) [2]
•
Estensione degli studi con condizioni di parziale neutralizzazione o “contaminazione”
da ioni e/o granuli micrometrici carichi massivi (confinamento e manipolazione di
plasmi multi-specie ):
progettazione e costruzione di un erogatore-sorgente di granuli massivi (dust);
realizzazione di:
strutture di magneti permanenti e/o elettromagneti volte a ottenere B > 0.2
T (campo massimo in ELTRAP);
una struttura di elettrodi settorati azimutalmente per l’applicazione di
campi elettrici RF.
•
Test di trasmissione e manipolazione di fasci di particelle cariche (elettroni, ioni) in
presenza di una combinazione di campi magnetici statici e campi elettrici in RF
(segmented RF quadrupole), in condizioni di ultra-alto vuoto o con l’introduzione di un
buffer gas (condizioni di interesse per entrambi i gruppi di ricerca).
•
Studio teorico/simulativo di dinamica e stabilità di plasmi multi-specie e fasci di
particelle cariche mediante codici PIC (programma svolto in collaborazione e con
finalità di interesse comune al gruppo di ricerca presso LNL):
codici commerciali (es.: Oopic, Simion, Opera);
codici sviluppati ad-hoc.
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Sviluppo temporale (MI)
2013
•
•
•
•
Allestimento e test di funzionamento di sorgente di polveri elettricamente cariche.
Esperimenti di generazione e riscaldamento di un plasma di elettroni a RF.
Sviluppo di codici PIC multi-specie.
Progettazione e acquisto/costruzione sistema di magneti permanenti e/o elettromagneti.
2014
•
•
•
•
•
•
Continuazione esperimenti di generazione e riscaldamento di un plasma di elettroni a RF.
Installazione gas-inlet regolabile.
Investigazione sulla neutralizzazione del plasma prodotto a RF e contaminazione da polveri.
Studi simulativi di plasmi multi-specie e di fasci in campi magnetici statici ed elettrici a RF.
Design strutture elettrodi cilindrici settorati per applicazione di RF.
Eventuali primi test prototipo RFQ presso laboratorio Eltrap.
2015
•
•
•
Costruzione strutture elettrodi cilindrici settorati.
Continuazione attività simulativa sulla dinamica di plasmi multi-specie e fasci di particelle cariche.
Test su fasci di particelle cariche in presenza di una combinazione di campi magnetici statici e
campi elettrici in RF, in condizioni di ultra-alto vuoto o con l’introduzione di un buffer gas.
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Deliverables (MI)
Luglio 2013: Rapporto sviluppo codice PIC 2D multi-specie.
Dicembre 2013: Rapporto tecnico sistema di magneti permanenti e sorgente di polveri
elettricamente cariche.
Giugno 2014: Rapporto esperimenti generazione e riscaldamento di un plasma di elettroni
a RF e sua frazione di neutralizzazione.
Dicembre2014: Rapporto tecnico design strutture elettrodi cilindrici settorati per
applicazione di RF.
Giugno 2015: Rapporto studi simulativi di plasmi multi-specie e di fasci in campi
magnetici statici ed elettrici a RF.
Dicembre 2015: Rapporto finale progetto Coolbeam.
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Work Package 2 (LNL)
• Studio delle tecniche di confinamento e termalizzazione di ioni interagenti
con atomi di gas tampone con inclusi gli effetti di carica spaziale;
• studio e progettazione di strutture elettromagnetiche per il confinamento di
ioni;
• sviluppo di un codice PIC per la simulazione dei processi di termalizzazione
che subentrano nell’interazione di particelle cariche pesanti con atomi neutri
più leggeri (gas inerti);
• prototipazione di un riduttore di emittanza trasversa e longitudinale di tipo
quadrupolare alimentato da un campo elettrico oscillante RF;
• verifiche sperimentali dei parametri di funzionamento del suddetto sistema
presso LNS, LNL e la facility ELTRAP.
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Dettaglio attività (LNL)
•
Continuazione studi di dinamica dei fasci, con sviluppo di un codice PIC (in collaborazione con il
gruppo di ricerca di Milano) che permetta di eseguire simulazioni Montecarlo che tengano conto
degli effetti collisionali e degli effetti di carica spaziale nei processi di raffreddamento e
confinamento di particelle cariche.
•
Costruzione prototipo struttura quadrupolare e relativo supporto meccanico ed assemblaggio di un
apparato che permetta di effettuare i primi test di verifica di:
funzionamento e limiti della struttura in regime RF e in ambiente di He con pressione
dell’ordine di qualche Pa (con utilizzo di apparati in fase di costruzione nell’ambito
dell’esperimento REGATA; test presso LNS e LNL nella seconda metà del 2013);
parametri di operatività dell’RFQ in assenza di gas tampone utilizzando un fascio stabile di
Cs1+ prodotto da una sorgente a ionizzazione superficiale IGS-4 (già disponibile presso LNL,
e in grado di fornire Cs e Rb con energie fra 50 eV e 5 keV e correnti fino a 5 µA);
effetti di carica spaziale nei fasci confinati dal campo elettrico oscillante in assenza di gas
tampone, anche in funzione dell’energia dei fasci in un range da 50 a qualche centinaio di eV
(dalla seconda metà del 2014 presso ELTRAP e successivamente a LNL presso un test stand
appositamente allestito per i collaudi del Charge Breeder e del Cooler di SPES);
processi di termalizzazione degli ioni in presenza di gas tampone: allestimento di un prototipo
di RFQC completo con iniezione da bassa energia (5 keV) e relativa estrazione (presso LNL
dal 2015).
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Sviluppo temporale (LNL)
2013
• Progettazione e costruzione struttura quadrupolare del RFQC.
• Test RF (500W) della struttura quadrupolare in vuoto e in presenza di gas (He) ad alta pressione
(LNS e LNL).
• Simulazioni PIC processi di raffreddamento e confinamento di ioni in presenza di gas tampone.
2014
• Progettazione e costruzione degli elettrodi di decelerazione e accelerazione.
• Misure di efficienza di trasmissione e dei parametri operativi dell’RFQC in vuoto e in presenza di
campi magnetici solenoidali (presso ELTRAP).
• Simulazioni PIC effetti di carica spaziale sui processi di raffreddamento e confinamento di ioni in
presenza di gas tampone.
• Assemblaggio e test del prototipo dell’RFQC (Sistema Decelerazione+RFQ+Sistema Estrazione)
(2014-2015).
2015
• Assemblaggio dell’intero sistema RFQC con sorgente di ioni stabili.
• Allestimento di un test stand per misure di efficienza di trasmissione di ioni stabili iniettati a
bassa energia (5 keV) ed alta corrente (5 µA) all’interno del prototipo RFQC ed in presenza di gas
tampone (He) ad alta pressione (SPES facility @ LNL).
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Deliverables (LNL)
Luglio 2013: Rapporto tecnico sulla costruzione della struttura quadrupolare.
Gennaio 2014: Rapporto sui test RF della struttura quadrupolare presso i LNS.
Aprile 2014: Rapporto sui test RF in presenza di gas (He) della struttura
quadrupolare presso i LNL.
Ottobre 2014: Rapporto tecnico sull’assemblaggio finale del prototipo dell’RFQ.
Aprile 2015: Rapporto sui test effettuati presso ELTRAP.
Dicembre 2015: Rapporto finale del progetto COOLBEAM.
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Anagrafica 2013 - MI
Ricercatore
Qualifica
%
ROME’ Massimiliano [RN]
RU Unimi
50
MAERO Giancarlo
Ass. Unimi
60
PAROLI Bruno
Ass. Unimi
50
IKRAM Muhammad
Dott. Unimi
50
POZZOLI Roberto
PO Unimi
0*
* associazione senior
Totale: 2.1 FTE
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28
Anagrafica 2013 - LNL
Ricercatore
Qualifica
%
MAGGIORE Mario [RL]
Ric. INFN
40
CAVENAGO Marco
I Ric. INFN
30
COMUNIAN Michele
Ric. INFN
20
SCARPA DANIELE
Ass. INFN
20
PORCELLATO Anna Maria
I Tec. INFN
40
DAINELLI Antonio
Tec. INFN
10
STARK Sergey
I Tec. INFN
20
MANZOLARO Mattia
Ass. INFN
20
GALATA’ Alessio
Tec. INFN
20
Totale: 2.2 FTE
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Attività prevista
Periodo
2013
2014
2015
25/9/2012
Attività
Progettazione e allestimento sorgente di polveri elettricamente cariche e
sistema di magneti permanenti e/o elettromagneti. Costruzione prototipo
struttura quadrupolare e relativo supporto meccanico e verifica
funzionamento in regime RF e in ambiente di He. Sviluppo codici particle-incell per la dinamica di fasci di particelle cariche e plasmi multi-specie,
anche in interazione con un buffer gas.
Esperimenti su generazione e riscaldamento di un plasma di elettroni a RF
con introduzione di gas a pressione controllata e con contaminazione da
polveri. Design strutture elettrodi cilindrici settorati per applicazione di
RF. Costruzione prototipi di strutture di iniezione ed estrazione per RFQC.
Assemblaggio RFQC e test presso LNL ed eventualmente lab. Eltrap.
Allestimento lab. test SPES presso LNL. Continuazione simulazioni PIC.
Costruzione strutture elettrodi cilindrici settorati. Test di struttura RFQC
presso LNL. Test presso lab. Eltrap su fasci di particelle cariche in
presenza di una combinazione di campi magnetici statici e campi elettrici in
RF, in condizioni di ultra-alto vuoto o con l’introduzione di un buffer gas.
Continuazione allestimento lab. test SPES presso LNL. Continuazione
simulazioni PIC.
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Milestones 2013
Descrizione
Sviluppo codici particle-in-cell per la dinamica di fasci di
particelle cariche e plasmi multi-specie, anche in interazione
con un buffer gas.
Progettazione
e allestimento sorgente di polveri
elettricamente cariche e sistema di magneti permanenti e/o
elettromagneti.
Costruzione prototipo struttura quadrupolare e relativo
supporto meccanico e verifica funzionamento in regime RF e
in ambiente di He.
25/9/2012
Data di completamento
INFN CSN V, Riunione 9/2012 (Roma)
30-06-2013
31-10-2013
31-10-2013
31
Preventivo 2013 MI
I Anno
ITEM
k€
Inventariabile
Sistema diffusione polveri (4), crociera CF 200 DN a quattro vie e
relative flange con feedthrough e viewport (4)
8
Apparati
Set magneti permanenti per trappola (11), strutture di supporto e
allineamento (4)
15
Consumo
Polveri micrometriche (3), termocatodi, fotocatodi (2), minuteria
da vuoto ed elettrica (2)
7
Licenze SW
Contributo rinnovo licenze Mathematica e NAG library
2
Missioni Estero
Misure presso GSI (Darmstadt) per esperimenti di trasmissione,
cattura, diagnostica di fasci di particelle cariche (2);
partecipazione congresso internazionale (2)
4
Missioni Interno
Visita ditte per ottimizzazione disegni meccanici pezzi
magnetizzati e loro dispositivi di compressione ed assemblaggio (1);
congresso nazionale (0.5)
1.5
Manutenzione
Sistema raffreddamento magnete ELTRAP
2.5
TOT
25/9/2012
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40
32
Preventivo 2013 LNL
I Anno
ITEM
k€
Inventariabile
Pc laptop
1
Costruzione
Apparati
Costruzione elettrodi sistema quadrupolare e relativo supporto
meccanico e connessioni elettriche
15
Consumo
Passanti RF da vuoto alta tensione 10kV/ 30kW (3), materiale
isolante PEEK (1)
4
Calcolo
Manutenzione Codice FEM 3D OPERA
3.5
Missioni Estero
Missione presso LPC (Caen) per incontro tecnico con gruppo di
lavoro SHIRAC2
2.5
Missioni Interno
Missioni LNS (2), ditte (1), Unimi (1)
Trasporto
Attrezzature
Trasporto strutture quadrupolo presso LNS per misure e rientro
LNL
4
TOT
25/9/2012
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0.5
30.5
33
