Study and development of high release refractory materials for the SPES project

Throughout the last century, theoretical and experimental research made by the international nuclear physicists community has led to important advancement in the knowledge of the mechanisms that govern the behavior and stability of the nuclei. The technological improvements necessary to support this research has often opened the way to new applications in other field of science and industry which directly reflects in our common life experience. Nowadays, Europe is becoming more and more a leader in both theoretical and experimental nuclear physics, as testified by the presence on its territory of several institutes and laboratories dedicated to this field of research, like CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), the world’s largest particle physics laboratory. Italy, represented mainly by INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), is one of the main members of this community. One of the most important projects supported by INFN is SPES (Selective Production of Exotic Species), which aim is to develop a facility for the production of radioactive ion beams (RIBs) in one of the four national laboratories of INFN, LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro). The facility is designed to produce and deliver to users both proton-rich and neutron-rich nuclei (range of mass 80-160 amu) to be used for nuclear physics research, as well as other applications in different fields of science. The generation of the aforementioned isotopes will occur inside a properly designed target, which represents the core of the whole project. The choice of the proper material for the target, both in terms of composition and properties, is of vital importance in determining the quantity and type of the produced isotopes. In this work, the synthesis and characterization of different types of target materials are presented. The results of experimental tests performed on some of the produced materials, in configurations very similar to those intended for the final SPES facility are also reported. Chapter 1 gives a general overview of the SPES project and its context whereas chapter 2 introduces the main topics related to the on-line behavior of the SPES target, relative to both its layout and to the properties of the material constituting it. Chapter 3 is focused on uranium carbide, which will be used at SPES to produce neutron-rich isotopes; after a description of its main physicochemical properties, the results of two on-line tests performed on target prototypes made of this material is reported and discussed into detail. In chapter 4 the synthesis methods and release-related properties of two potential materials to be used as SPES targets for the production of proton-rich isotopes, boron and lanthanum carbides, are presentedNel corso dell’ultimo secolo, la ricerca teorica e sperimentale condotta dalla comunità internazionale in fisica nucleare ha portato ad importanti passi avanti nella comprensione dei meccanismi che governano il comportamento dei nuclei e della loro stabilità. In molti casi, le innovazioni tecnologiche che si sono rese necessarie per supportare tali ricerche hanno aperto la strada verso nuove applicazioni scientifiche ed industriali con ripercussioni dirette nella vita di tutti i giorni. Attualmente, l’Europa è sempre più leader nel campo della fisica nucleare, teorica e sperimentale, come testimoniato dalla presenza nel suo territorio di svariati istituti e laboratori dedicati a questa specifica area di ricerca, come ad esempio il CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), il più grande laboratorio al mondo per la fisica delle particelle. L’Italia, principalmente rappresentata dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), è uno dei principali membri di questa comunità. Uno dei progetti più importanti finanziato dall’INFN è SPES (Selective Production of Exotic Species), la cui finalità è la costruzione di una facility per la produzione di fasci di ioni radioattivi, in uno dei quattro laboratori nazionali dell’INFN, LNL (Laboratori Nazionali di Legnaro). La facility è progettata per produrre e fornire agli utenti isotopi proton-rich e neutron-rich (massa compresa fra 80 e 160 amu) utilizzabili per esperimenti di fisica nucleare, ma anche per altre applicazioni in diversi settori scientifici. La formazione di tali isotopi avverrà all’interno di uno specifico bersaglio (target), che rappresenta il cuore dell’intero progetto. La scelta dell’opportuno materiale per il target, sia in termini di composizione che di proprietà è di vitale importanza nel determinare la quantità e tipo di isotopi prodotti. In questo lavoro, vengono descritte nel dettaglio la sintesi e caratterizzazione di diversi tipi di materiali proposti come target, ed inoltre vengono riportati i risultati di test sperimentali condotti su alcuni di essi, ottenuti in modalità molto simili a quelle a cui saranno sottoposti nella facility SPES. Il capitolo 1 fornisce una presentazione generale del progetto SPES e del contesto scientifico ad esso legato, mentre nel capitolo 2 viene descritto nel dettaglio il comportamento operativo del target SPES, con particolare riferimento alla sua geometria e alle proprietà del materiale che lo costituirà. Nel capitolo 3 vengono presentate le proprietà del materiale scelto come bersaglio per produrre isotopi neutron-rich, ovvero il carburo di uranio; vengono inoltre presentati i risultati di un test sperimentale di produzione di isotopi da parte di un prototipo di target SPES costituito di tale materiale. Il capitolo 4 descrive la sintesi e caratterizzazione di carburi di boro e lantanio, con particolare riferimento alle proprietà riconducibili alla capacità di rilascio di isotopi; tali materiali rappresentano dei potenziali target SPES per la produzione di isotopi proton-ric