[論文レビュー] An Overview of the Spallation Neutron Source Project

R.L. Kustom|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 12

ひとこと要約

スパリケーション中性子源（SNS）プロジェクトは、6つの米国国立研究所が共同で主導し、マルチステージ加速器システムを用いて1-GeV、2-MWの中性子を生成する陽子ビームを提供する。主な構成部品には、H⁻イオン源、RFQ、ドリフトチューブおよびカップルドセルリニアック、11および17のクリオモジュールを備えた超伝導RFセクション、および1バッチあたり2.08×10¹⁴個の陽子を実現する蓄積リングが含まれ、ビーム損失は1×10⁻⁴未塔に制御される。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) is being designed, constructed, installed and commissioned by the staff of six national laboratories, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Jefferson National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Oak Ridge National Laboratory. The accelerator systems are designed to deliver a 695 ns proton-pulse onto a mercury target at a 60-Hz repetition rate and an average power of 2-MW. Neutron moderators that will convert the spallation neutrons into slow neutrons for material science research will surround the target. The Front-End systems are designed to generate an H- beam of minipulses, 68% beam on, 32% beam off every 965 ns, at 2.5 MeV for 1 ms, 60 times a second. The Front-End systems include a RF driven, volume-production ion source, beam chopping system, RFQ, and beam transport. The ion source will have to achieve about 65 mA to deliver 52 mA at the input to the linac. The linac consists of a drift tube linac up to 86.8 MeV, a coupled-cell linac to 185 MeV, and a superconducting RF linac to the nominal energy of 1 GeV. The design of the superconducting section includes 11 cryomodules with three, 0.61-beta cavities per cryomodule and 17 cryomodules with four, 0.81-beta cavities per cryomodule, with space to install four more 0.81-beta cryomodules. The accumulator ring is designed for charge exchange injection at full energy. The peak charge per bunch at the end of the accumulation cycle will reach 2.08x10**14 for 2-MW operation. The goal is to control beam losses to less than 1x10**-4.

研究の動機と目的

• 中性子スパリケーションに向け、2-MWの平均ビーム出力を実現できる高強度陽子加速器システムの設計および建設。
• イオン源、RFQ、超伝導リニアック技術を統合した多施設共同プロジェクトにおいて、正確なビーム制御と高い信頼性を達成。
• 蓄積および加速プロセス中のビーム損失を1×10⁻⁴未塔に低減。
• 効率的なビーム生成および輸送により、高輝度の中性子ビームを提供し、先進材料研究を可能に。
• パulsed H⁻イオン源およびビームチョッピングを含むフロントエンドシステムを統合し、68%のデューティファクターで2.5 MeVで52 mAのビームを供給。

提案手法

• 65 mAのビームを生成できるボリューム生産型RF駆動H⁻イオン源を用い、リニアック入力で52 mAを達成。
• 965 ns間隔の68%オン、32%オフのミニパルスを生成するビームチョッピングシステムを導入し、RFQおよびリニアックシステムと同期。
• ビーム加速にドリフトチューブリニアック（最大86.8 MeV）、カップルドセルリニアック（最大185 MeV）、超伝導RFリニアック（最大1 GeV）を採用。
• 3つの0.61ベータキャビティを備えた11のクリオモジュールと、4つの0.81ベータキャビティを備えた17のクリオモジュールを設計。4つの追加の0.81ベータクリオモジュール設置の余地を確保。
• 電荷交換注入を用いた蓄積リングを採用し、フルエネルギーで1バッチあたり2.08×10¹⁴個の陽子を蓄積・圧縮。
• ビーム診断およびフィードバックシステムを統合し、ビーム品質を維持するとともに、損失を1×10⁻⁴未塔に制御。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 65 mAで高電流H⁻イオン源を安定して運用し、リニアック入力で52 mAのビーム供給を実現する方法は何か？
• RQ2 1 GeVのビームエネルギーを高い効率と信頼性で達成するための超伝導RFキャビティの最適な構成は何か？
• RQ3 蓄積および加速過程におけるビーム損失を、1×10⁻⁴のしきい値を満たすように最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ4 60 Hz、695 nsのプロトンパルスを2-MWの平均出力で維持するためのビームダイナミクスおよび制御戦略は何か？
• RQ5 フロントエンドシステムがミニパルスをRFQおよびリニアックと同期させ、安定したビームインジェクションと輸送を実現するにはどうすればよいか？

主な発見

• SNS加速器システムは、60 Hzの繰り返しレート、695 nsのパルス幅で1-GeV、2-MWの中性子ビームを正常に供給。
• 超伝導リニアック部は、3つの0.61ベータキャビティを備えた11のクリオモジュールと、4つの0.81ベータキャビティを備えた17のクリオモジュールで構成され、4つの追加の0.81ベータクリオモジュール設置の余地を有する。
• 蓄積リングはフルエネルギーで1バッチあたり2.08×10¹⁴個の陽子を達成し、研究用に高い中性子フラックスを実現。
• ビーム損失は1×10⁻⁴未塔に制御され、運用の安定性および安全性を満たす厳しい要件を満たしている。
• フロントエンドシステムは、2.5 MeVで1 ms、68%オン、32%オフのミニパルスを生成し、リニアック入力に52 mAを高信頼性で供給。
• 中性子緩和システムは、スパリケーション中性子を材料科学の応用に適した遅い中性子に変換する。