[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 2 (2020): SPS Beam Dump Facility: Comprehensive Design Study

C. Ahdida|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 73被引用数 12

ひとこと要約

この包括的な設計研究では、CERNのノース・アレイにおけるSPSビームダンプ施設（BDF）の提案を行い、高強度プロトンビームダンピングおよび固定標的に向けた実験を可能にし、主にSHiP実験を支援することを目的としている。ビーム抽出、輸送、標的設計、放射線遮蔽の高度な技術を詳細に提示し、結晶を用いた位相空間の折りたたみ技術を含む新規な損失低減手法により、90%のスローダンピング効率を達成した。また、1年間で最大400 MGy、10^18 n_eq/cm²/年の放射線フラックスを実現し、核物理学的・材料照射試験、および核宇宙物理学の分野で応用可能である。

ABSTRACT

The proposed Beam Dump Facility (BDF) is foreseen to be located at the North Area of the SPS. It is designed to be able to serve both beam dump like and fixed target experiments. The SPS and the new facility would offer unique possibilities to enter a new era of exploration at the intensity frontier. Possible options include searches for very weakly interacting particles predicted by Hidden Sector models, and flavour physics measurements. In the first instance, exploitation of the facility, in beam dump mode, is envisaged to be for the Search for Hidden Particle (SHiP) experiment. Following the first evaluation of the BDF in 2014-2016, CERN management launched a Comprehensive Design Study over three years for the facility. The BDF study team has since executed an in-depth feasibility study of proton delivery to target, the target complex, and the underground experimental area, including prototyping of key sub-systems and evaluations of the radiological aspects and safety. A first iteration of detailed integration and civil engineering studies have been performed in order to produce a realistic schedule and cost. This document gives a detailed overview of the proposed facility together with the results of the studies, and draws up a possible road map for a three-year Technical Design Report phase, followed by a 5 to 6 year construction phase.

研究の動機と目的

• CERNのSPSノース・アレイに高強度ビームダンプ施設を設計し、SHiP実験およびその他の固定標的物理学実験を支援すること。
• 最小限のビーム損失で、効率的かつ安定的かつ安全にSPSからプロトンをスローダンピングすること。
• 400 MWのビームパワーを処理できる標的システムを開発し、活性化と放射線被曝を最小限に抑えること。
• 短寿命同位体（例：134Cs や 170Tm）の核宇宙物理学的測定を可能にする高フラックスニュートロンビームを提供すること。
• 将来の加速器環境を模擬した極限放射線条件下で電子部品や材料の試験が可能な、ユニークな照射施設を提供すること。

提案手法

• セプタムとキッカー系を用いたSPSからのスローダンピングを採用し、校正済みのビーム強度モニタでビーム強度をモニタリングする。
• 定常光学スローダンピング（COSE）と、ワイヤアレイおよび曲げ結晶を含む被動的・能動的ドライバ（拡散器）を用い、ビーム損失を低減し、抽出効率を向上させる。
• 八極子と質量ゼロのセプタムを用いた位相空間の折りたたみにより、抽出中のビーム損失を最小限に抑え、スパイル品質を向上させる。
• 歪み補正光学、希釈、分岐機能を備えた輸送ラインを設計し、ビームのエミッタンス増大を最小限に抑えて標的へビームを効率的に供給する。
• 強制的な液体金属冷却を用いた100 mm径・100 mm長の液体タングステン標的を採用した高出力標的システムを開発する。
• 標的近傍および遮蔽エリアに照射ステーションを設置し、TIDおよびDPA効果を含む極限放射線場下で材料や電子部品の試験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BDFのSPSにおけるビームパラメータと抽出効率は、特にSHiP実験を想定してどの程度達成可能か？
• RQ2 高度な光学およびビーム操作技術を用いて、スローダンピング中のビーム損失をどのように低減できるか？
• RQ3 BDFで達成可能な最大のニュートロンフラックスとフルエンスは何か？ そして、核宇宙物理学的測定にどのように寄与するか？
• RQ4 BDFで達成可能な放射線レベルは何か？ そして、将来の加速器要件と比較してどうか？
• RQ5 既存のSPSインfra構造にBDFを最小限の影響で統合するにはどうすればよいか？

主な発見

• COSEと結晶を用いた位相空間の折りたたみを用いたシミュレーションで、90%のスローダンピング効率を達成し、ビーム損失を顕著に低減した。
• FLUKAを用いたビーム損失プロファイルの正確なモデル化により、ベースライン条件下で10%の損失率を予測した。能動的・被動的ドライバの導入によりさらなる改善が可能である。
• 液体タングステン標的を用いた標的システムは、400 MWのビームパワーを処理可能であり、最適な熱放散を実現するため100 mm径・100 mm長に設計されている。
• 施設では、1年間で最大10^18 1-MeVニュートロン同等/cm²、および総線量400 MGy/年というニュートロンフラックスレートを達成でき、高強度照射試験に最適である。
• 照射ステーションでは、TIDが最大400 MGy、DPAレベルがFCC-hhおよびHE-LHC検出器環境と同等の水準に達し、放射線耐性部品の事前適合試験が可能である。
• 短寿命同位体（例：134Cs（半減期2年）、170Tm（半減期0.35年））を十分な量で生成可能であり、加速器質量分光法による測定が可能となる。