[논문 리뷰] Pulsed Neutron Source using 100-MeV electron Linac at Pohang Accelerator Laboratory

G. N. Kim, Heung-Sik Kang외 4명|ArXiv.org|2000. 08. 15.

Nuclear Physics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 포항가속기연구소에서 100-MeV 전자 라인액을 설계, 제작하고 초도 테스트를 수행하여 탄재드 타겟에서 브레머스트랄링 및 광핵반응을 통해 펄스형 중성자원을 생성하는 것을 제시한다. 시설은 측정 길이 10.81±0.02 m인 15미터의 시간간격비행 경로를 확보하여 TOF 분광법을 이용한 핵데이터 측정을 위한 중성자 에너지 해상도를 실현하였다. 채널 해상도 0.5 µs를 확보하였다.

ABSTRACT

The Pohang Accelerator Laboratory operates an electron linac for the pulsed neutron source as one of the long-term nuclear R&D programs at the Korea Atomic Energy Research Institute. The designed beam parameters are as follows; The nominal beam energy is 100 MeV, the maximum beam power is 10 kW, and the beam current is varied from 300 mA to 5A depends on the pulse repetition. The linac has two operating modes: one for short pulse modes with the various repetitions between 2 ns and 100 ns and the other for long pulse modes with 1 ms repetition. We have constructed and tested an electron linac based on the existing equipment such as a SLAC-5045 klystron, two constant gradient accelerating sections, and a thermionic RF-gun. We present the characteristics of the linac and report the status of the pulsed neutron source facilities include a target system and time-of-flight paths.

연구 동기 및 목표

• 전자 기반 광중성자 생성을 이용한 고해상도 핵데이터 측정을 위한 펄스형 중성자원 개발
• 포항가속기연구소에 존재하는 기존 인프라를 활용하여 비용 효율적이고 고강도의 중성자 시설 구축
• 향후 핵반응단면적 측정을 위한 시간간격비행 경로 길이 및 중성자 에너지 해상도 검증
• 100-MeV 전자 라인액과 Ta 타겟, 물 냉각 시스템을 이용한 비드 성능 및 중성자 수율 시험
• 16,384채널 시간 해상도를 갖춘 중성자 TOF 분광법을 위한 신뢰성 있는 데이터 수집 시스템 수립

제안 방법

• SLAC-5045 klystron, 두 개의 일정기울기 가속 구조체, 열전자형 RF 건, 그리고 비드 진단 장치를 이용해 기존 구성 요소를 활용해 100-MeV 전자 라인액 제작
• 라인액에 수직인 15미터 스테인리스 스틸 TOF 튜브를 사용하며, 중성자 검출 및 비드 모니터링을 위해 6Li 유리 scintillator와 BF3 카운터 적용
• 0.5 µs 채널 너비와 12 Hz RF 트리거를 갖춘 150 MHz 시간 디지타이저(Turbo MCS)를 사용해 시간간격비행 데이터 수집
• 비행 경로 길이를 결정하기 위해 공식 L = (3.72 × ∆t × I + τ) / ∆E를 사용해 공액에너지 및 채널 번호 데이터에 최소제곱법 피팅 적용
• 열중성자 억제를 위해 0.5 mm Cd 필터를 사용해 Sm, Ta, W, Ag 시료를 이용한 중성자 TOF 측정 수행
• 감마 플래시 및 열중성자 배경 감소를 위해 폴리에틸렌과 lead로 검출기 차폐

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포항중성자시설의 15미터 TOF 중성자 경로의 효과적 비행 경로 길이는 얼마인가?
• RQ2 기존 구성 요소를 사용한 100-MeV 전자 라인액에서 도달 가능한 비드 파arameters(에너지, 전류, 펄스 폭)는 무엇인가?
• RQ3 100-MeV 전자 빔이 Ta 타겟에 조사되었을 때 1킬로와트당 중성자 수율은 얼마인가?
• RQ4 0.5 µs 채널 너비를 갖춘 시간간격비행 시스템이 중성자 에너지를 얼마나 잘 분리하는가?
• RQ5 75 MeV에서 전자 비드의 측정된 에너지 스프레드와 입자군집도는 얼마인가?

주요 결과

• 시간간격비행 시스템의 측정 비행 경로 길이는 공액에너지 및 채널 번호 데이터에 대한 최소제곱법 피팅을 통해 10.81 ± 0.02 미터로 결정됨
• 전자 라인액은 라인액 끝에서 최대 75 MeV 에너지, 40 mA 전류, 12 Hz 반복 주기에서 1.8 µs 펄스 폭 도달
• RF 위상 및 알파 자석장 최적화를 통해 에너지 스프레드를 1% 이하로 감소
• Ta 타겟에서의 중성자 수율은 1킬로와트당 2.0×10^12개의 중성자/초로 추정됨
• 16,384채널 Turbo MCS 디지타이저를 사용해 시간간격비행 시스템이 0.5 µs 채널 해상도 확보
• RF 트리거와 실제 0시점 사이의 지연시간 τ는 0.87 µs로 측정되었으며, 정확한 에너지 캘리브레이션에 핵심적임