[논문 리뷰] An Overview of the Spallation Neutron Source Project

R.L. Kustom|arXiv (Cornell University)|2000. 01. 01.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 12

한 줄 요약

스팔라션 중성자원(SNS) 프로젝트는 여섯 개의 미국 국립연구소가 주도하여 다단계 가속기 시스템을 통해 1-GeV, 2-MW 수준의 프로톤 비임을 제공하여 재료 연구를 위한 스파라션 중성자를 생성한다. 주요 구성 요소로는 H⁻ 이온 소스, RFQ, 드리프트 튜브 라인 및 커플드셀 라인, 11개와 17개의 크라이오모듈을 갖춘 초전도 RF 섹션, 그리고 1-bunch당 2.08×10¹⁴개의 프로톤을 달성하고 비임 손실을 1×10⁻⁴ 이하로 제어하는 누적 링이 포함된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스팔라션 중성자를 위한 2-MW 평균 비임 출력을 제공할 수 있는 고강도 프로톤 가속기 시스템을 설계하고 구축하기.
• 이온 소스, RFQ, 초전도 라인 가속기 기술을 포함한 다기관 협업 환경에서 정밀한 비임 제어와 높은 신뢰성을 확보하기.
• 누적 및 가속 과정 중 비임 손실을 1×10⁻⁴ 이하로 최소화하기.
• 효율적인 비임 생산 및 운반을 통해 고광도 중성자 비임을 제공하여 고급 재료 연구를 가능하게 하기.
• 펄스형 H⁻ 이온 소스와 비임 분할 장치를 포함한 프론트엔드 시스템을 통합하여 2.5 MeV에서 52 mA, 68% 듀티 팩터의 비임을 제공하기.

제안 방법

• 65 mA의 비임을 생성하여 라인어 입력에서 52 mA를 확보할 수 있도록 볼륨 생산형 RF 구동 H⁻ 이온 소스를 활용한다.
• RFQ 및 라인어 시스템과 동기화된 965 ns 간격의 68% 온, 32% 오프의 마이크로펄스를 생성하기 위해 비임 분할 시스템을 구현한다.
• 비임 가속을 위해 드리프트 튜브 라인(최대 86.8 MeV), 커플드셀 라인(최대 185 MeV), 초전도 RF 라인(최대 1 GeV)을 활용한다.
• 세 개의 0.61-베타 캐비티를 갖춘 11개의 크라이오모듈과 네 개의 0.81-베타 캐비티를 갖춘 17개의 크라이오모듈을 설계하며, 추가로 네 개의 0.81-베타 크라이오모듈 설치를 고려한다.
• 전하교환 주입 방식을 사용하는 누적 링을 통해 전체 에너지에서 1-bunch당 2.08×10¹⁴개의 프로톤을 저장하고 압축한다.
• 비임 품질을 유지하고 손실을 1×10⁻⁴ 이하로 제어하기 위해 비임 진단 및 피드백 시스템을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 65 mA에서 안정적으로 작동하는 고전류 H⁻ 이온 소스를 어떻게 확보하여 라인어 입력에서 52 mA의 비임을 제공할 수 있는가?
• RQ2 1 GeV 비임 에너지를 효율적이고 신뢰성 있게 달성하기 위해 초전도 RF 캐비티의 최적 구성은 무엇인가?
• RQ3 누적 및 가속 과정 중 비임 손실을 어떻게 최소화하여 1×10⁻⁴ 기준을 충족할 수 있는가?
• RQ4 60 Hz, 695 ns 프로톤 펄스를 2-MW 평균 출력으로 유지하기 위해 필요한 비임 동역학 및 제어 전략는 무엇인가?
• RQ5 프론트엔드 시스템은 어떻게 RFQ 및 라인어 시스템과 동기화하여 안정적인 비임 주입 및 운반을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• SNS 가속기 시스템은 60 Hz 반복 주기, 695 ns 펄스 폭을 갖는 1-GeV, 2-MW 프로톤 비임을 성공적으로 제공한다.
• 초전도 라인 가속기 섹션은 세 개의 0.61-베타 캐비티를 갖춘 11개의 크라이오모듈과 네 개의 0.81-베타 캐비티를 갖춘 17개의 크라이오모듈을 포함하며, 추가로 네 개의 0.81-베타 크라이오모듈 설치가 가능하다.
• 누적 링은 전체 에너지에서 1-bunch당 2.08×10¹⁴개의 프로톤을 달성하여 연구를 위한 고중성자율을 가능하게 한다.
• 비임 손실은 1×10⁻⁴ 이하로 제어되어 운영 안정성과 안전성에 대한 엄격한 요구사항을 충족한다.
• 프론트엔드 시스템은 2.5 MeV에서 1 ms, 68% 온, 32% 오프의 마이크로펄스를 생성하여 라인어 입력에 52 mA의 비임을 고신뢰성으로 제공한다.
• 중성자 냉각 시스템은 스파라션 중성자를 재료 과학 응용에 적합한 느린 중성자로 변환한다.