[논문 리뷰] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 2 (2020): SPS Beam Dump Facility: Comprehensive Design Study

C. Ahdida|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 13.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 73인용 수 12

한 줄 요약

이 종합 설계 연구는 CERN의 노스 아레아에 위치한 SPS 비드럼 시설(BDF)을 제안하여 고강도 양성자 비드럼과 고정표적 실험을 가능하게 하며, 주로 SHiP 실험을 지원한다. 고급 비드럼 추출, 운반, 표적 설계 및 방사선 차폐를 다루며, 결정 기반 위상공간 접기 기법을 포함한 새로운 손실 감소 기술을 통해 90%의 느린 추출 효율을 달성한다. 또한 연간 최대 400 MGy 및 10^18 n_eq/cm²/년의 고속도 중성자 비드럼을 제공하여 핵 천체물리학 및 재료 방사선 시험에 활용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CERN의 SPS 노스 아레아에 고강도 비드럼 시설을 설계하여 SHiP 실험 및 기타 고정표적 물리 실험을 지원한다.
• 최소한의 비드럼 손실로 안정적이고 안전한 SPS에서의 양성자 느린 추출을 달성한다.
• 400 MW의 비드럼 전력을 처리할 수 있는 표적 시스템을 개발하여 활성화 및 방사선 노출을 최소화한다.
• 단기 수명을 가진 방사성 동위원소(예: 134Cs 및 170Tm)의 핵 천체물리학 측정을 위해 고속도 중성자 비드럼을 제공한다.
• 미래의 가속기 환경을 시뮬레이션하는 극한의 방사선 조건에서 전자기기 및 재료를 시험할 수 있는 고유한 시험 시설을 제공한다.

제안 방법

• 비드럼 강도를 캘리브레이션된 비드럼 강도 모니터를 통해 모니터링하면서, 세퍼텀과 키퍼 시스템을 이용한 SPS에서의 느린 추출을 활용한다.
• 고정 옵티컬 느린 추출(COSE) 및 피사계/능동적 디퓨저(와이어 어레이 및 굽은 결정)를 적용하여 비드럼 손실을 감소시키고 추출 효율을 향상시킨다.
• 옥타푸올과 질량이 없는 세퍼텀을 사용한 위상공간 접기 기법을 적용하여 추출 중 비드럼 손실를 최소화하고 스플릿 품질을 향상시킨다.
• 보정된 옵티컬, 희석 및 분할 기능을 갖춘 전송선 시스템을 설계하여 비드럼을 표적으로 전달할 때 에미턴스 증가를 최소화한다.
• 강제로 액체 금속 유동으로 냉각하는 100 mm 지름과 100 mm 길이의 액체 wolfram 표적으로 고출력 표적 시스템을 개발한다.
• 표적 주변 및 차폐된 영역에 방사선 시험 스테이션을 구축하여 TID 및 DPA 영향을 포함한 극한의 방사선 환경에서 재료와 전자기기를 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BDF를 위한 SPS에서의 비드럼 파arameter와 추출 효율은 무엇이며, 특히 SHiP 실험에 대해 어떤가?
• RQ2 고급 옵티컬 및 비드럼 제어 기술을 통해 느린 추출 중 비드럼 손실를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 BDF에서 도달 가능한 최대 중성자 플럭스와 플루엔스는 얼마이며, 핵 천체물리학 측정에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 BDF에서 재료 및 전자기기 시험에 도달할 수 있는 방사선 수준은 무엇이며, 향후 가속기 요구사항과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ5 기존의 SPS 인프라에 BDF를 통합하면서 다른 CERN 운영에 최소한의 영향을 주는가?

주요 결과

• COSE와 결정 기반 위상공간 접기 기법을 사용한 시뮬레이션에서 90%의 느린 추출 효율을 달성하여 비드럼 손실를 크게 감소시켰다.
• FLUKA를 사용한 비드럼 손실 프로파일 모델링이 정확하게 수행되었으며, 기본 조건에서 10%의 손실율을 예측하였고, 능동 및 피사계 디퓨저를 통해 향상 가능함을 확인하였다.
• 액체 wolfram 표적으로 400 MW의 비드럼 전력을 처리할 수 있도록 설계되었으며, 열 방출에 최적화된 100 mm 지름과 100 mm 길이를 확보하였다.
• 이 시설은 최대 연간 10^18 1-MeV 중성자 등가 수치/cm² 및 총 선량 400 MGy/year의 고속도 중성자 플럭스를 제공하여 고강도 방사선 시험에 이상적이다.
• 방사선 시험 스테이션은 TID 수준 최대 400 MGy 및 FCC-hh 및 HE-LHC 검출기 환경에 해당하는 DPA 수준을 달성하여 방사선에 강한 부품의 사전 자격 평가를 가능하게 한다.
• 단기 수명 동위원소인 134Cs(t1/2 = 2년) 및 170Tm(t1/2 = 0.35년)를 충분한 양으로 생산하여 가속기 질량 스펙트로스코피 측정을 가능하게 한다.