[論文レビュー] Status of the HIE-ISOLDE project at CERN

Fraser, Yacine Kadi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2017

Superconducting Materials and Applications参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

HIE-ISOLDEプロジェクトは、CERNのISOLDE施設をアップグレードし、6つのクリオモジュールに配置された32個のニッブブiumコーティング付き1/4波長共振器を備えた40 MVの超伝導リニアックを設置することで、放射性イオンビームの加速後エネルギーを3 MeV/uから10 MeV/u以上に引き上げる。段階的な導入により、核物理学実験、特に核図表全域における遷移反応や高精度研究が可能となり、ビーム強度、エミッタンス、エネルギー可変性が向上する。

ABSTRACT

The HIE-ISOLDE project represents a major upgrade of the ISOLDE nuclear facility with a mandate to significantly improve the quality and increase the intensity and energy of radioactive nuclear beams produced at CERN. The project will expand the experimental nuclear physics programme at ISOLDE by focusing on an upgrade of the existing Radioactive ion beam EXperiment (REX) linac with a 40 MV superconducting linac comprising thirty-two niobium-on-copper sputter-coated quarter-wave resonators housed in six cryomodules. The new linac will raise the energy of post-accelerated beams from 3 MeV/u to over 10 MeV/u. The upgrade will be staged to first deliver beam energies of 5.5 MeV/u using two high-$β$ cryomodules placed downstream of REX, before the energy variable section of the existing linac is replaced with two low-$β$ cryomodules and two additional high-$β$ cryomodules are installed to attain over 10 MeV/u with full energy variability above 0.45 MeV/u. An overview of the project including a status summary of the different R&D activities and the schedule will outlined.

研究の動機と目的

• CERNのISOLDE施設における加速後放射性イオンビームのエネルギーと強度を顕著に向上させること。
• ビームエネルギーを10 MeV/uまで延長することで、核構造および反応研究における新たな実験的利点を実現すること。
• ISCOOL冷却器の導入によるエミッタンス低減と、改良されたイオン源および標的システムによるビーム品質の向上。
• 0.45 MeV/u以上の全エネルギー可変性と、高電荷状態イオンのサポートを、改良された電荷ブリーダー技術によって実現すること。
• CERNの長期シャットダウン期間中に主要なアップグレードをスケジューリングすることで、進行中の実験への最小限の影響を確保すること。

提案手法

• 101.28 MHzで動作する32個のニッブブiumコーティング付き銅基板上にスパッタコーティングされた1/4波長共振器（QWR）で構成される40 MVの超伝導リニアックを設置する。
• 段階的導入：REXの直下に2つのハイβクリオモジュール（βg = 10.3%）を設置し、5.5 MeV/uまでのビームエネルギーを達成。その後、エネルギー可変部を低β（βg = 6.3%）クリオモジュールに置き換える。
• モジュラー方式で2つの追加ハイβクリオモジュールと2つの低βクリオモジュールを統合し、10 MeV/uまでの全エネルギー範囲を達成する。
• RFQの直前にサブハーモニック周波数とビームチョッパーを用いたプリバンチング方式を実装し、飛行時間検出を可能にするとともに、副次的バンチからのバックグラウンドを低減する。
• SCソレノイド、ステアリング磁石、ビーム診断システムを活用して、狭い空間制約内でもビーム安定性と光学的性能を維持する。
• 高エネルギービーム輸送（HEBT）ラインを、高度な磁石技術を用いて設計し、同素体分離と3か所の実験ステーションをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HIE-ISOLDEアップグレード後、加速後放射性イオンビームが達成可能な最大ビームエネルギーは何か？
• RQ2 どのようにしてエミッタンスとビーム強度を向上させ、高度な核物理学実験を可能にするか？
• RQ3 超伝導リニアックの最適な構成と段階的導入戦略は何か？これにより、早期のビーム利用と全エネルギー到達を保証できるか？
• RQ4 プロトンビームや標的拡散特性とは独立して、ビーム時間構造をどのように調整できるか？
• RQ5 X線、中性子、クライオニクスシステム、および放射性汚染のリスクを低減するための安全対策は何か？

主な発見

• HIE-ISOLDEリニアックは、最小同期位相-20°を有し、合計加速電圧39.6 MVを発揮する設計となっており、質量数/電荷比A/q = 4.5の重いイオンに対しても10 MeV/uを超えるビームエネルギーを実現可能である。
• アップグレードの最初の段階として、2つのハイβクリオモジュールを設置し、5.5 MeV/uまでのビームエネルギーを達成する。コンMISSIONINGは2014年末に予定。
• 4つの追加クリオモジュール（ハイβ2個、ローバイ2個）を含む完全なアップグレードにより、0.45 MeV/u以上の全エネルギー可変性を有する10 MeV/uを超えるエネルギー範囲が実現される。
• 2017年以降に計画されるプリバンチングおよびチョッピングシステムにより、約100 nsのバンチ間隔が可能となり、実験での飛行時間検出が可能になる。
• プリセパレータの直後に設置されるRFQ冷却器およびバンチャー（ISCOOL）の導入により、ビームエミッタンスが顕著に改善される見込みである。
• ビームコンMISSIONINGは2014年末に5.5 MeV/uで予定され、初の物理学実験は2015年初頭に予想される。