[논문 리뷰] Status of the HIE-ISOLDE project at CERN

Fraser, Yacine Kadi외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 17.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

HIE-ISOLDE 프로젝트는 CERN의 ISOLDE 시설에 32개의 니오븀 코팅된 1/4파장 공진기(quarter-wave resonators)를 포함한 40 MV 초전도 라인액을 설치하여, 단계적으로 운영하면서 후속 가속된 방사성 비임의 에너지를 3 MeV/u에서 10 MeV/u 이상으로 높입니다. 이는 핵물리 실험, 특히 핵도표 전반에서의 전이 반응과 정밀 측정 실험을 가능하게 하며, 단계적 크로모듈 설치와 프리-번칭 시스템을 통해 높은 비드름 강도, 낮은 군집도, 에너지 다양성을 확보합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• CERN의 ISOLDE 시설에서 후속 가속된 방사성 이온 비임의 에너지와 강도를 크게 향상시키기 위해.
• 비임 에너지를 최대 10 MeV/u까지 연장함으로써 핵구조 및 반응 연구 분야의 새로운 실험 능력을 제공하기 위해.
• ISCOOL 냉각기와 함께 개선된 이온 소스 및 타겟 시스템을 통해 비드름 군집도를 감소시켜 비드름 품질을 향상시키기 위해.
• 0.45 MeV/u 이상의 전체 에너지 가변성과 고전하 이온을 위한 업그레이드된 전하 브리더 기술을 통해 지원을 제공하기 위해.
• 장기 정지 기간 동안 주요 업그레이드를 스케줄링하여 현재 진행 중인 실험에 최소한의 영향을 주기 위해.

제안 방법

• 101.28 MHz에서 작동하는 32개의 구리 기반에 니오븀 스퍼터 코팅된 1/4파장 공진기(QWRs)로 구성된 40 MV 초전도 라인액을 설치하기 위해.
• 단계적 구현: REX 후류에 두 개의 고-β 크로모듈(βg = 10.3%)을 설치하여 5.5 MeV/u까지 도달하고, 이후 에너지 가변 섹션을 저-β(βg = 6.3%) 크로모듈로 교체하기 위해.
• 모듈식 방식으로 추가로 두 개의 고-β 크로모듈과 두 개의 저-β 크로모듈을 통합하여 최대 10 MeV/u까지의 전체 에너지 범위를 확보하기 위해.
• RFQ 이전에 서하모닉 주파수와 비드름 컷터를 사용한 프리-번칭 방식을 도입하여 비드름 도착 시간 검출이 가능하고, 부가 번들러의 배경을 줄이기 위해.
• 좁은 공간 제약 조건 내에서 비드름 안정성과 광학 성능을 유지하기 위해 초전도 솔레노이드, 조정 자석, 비드름 진단 시스템을 활용하기 위해.
• 이소바르 분리와 세 개의 실험 스테이션을 지원하기 위해 고급 자석 기술을 사용한 고에너지 비드름 이송(High-Energy Beam Transfer, HEBT) 라인 설계하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HIE-ISOLDE 업그레이드 후 후속 가속된 방사성 이온의 최대 도달 가능한 비드름 에너지는 얼마인가요?
• RQ2 고도화된 핵물리 실험을 지원하기 위해 비드름 군집도와 강도를 어떻게 향상시킬 수 있나요?
• RQ3 초전도 라인액의 최적 구성과 단계적 설치 전략은 무엇이어야 하며, 조기에 비드름을 확보하고 전체 에너지 도달을 보장할 수 있나요?
• RQ4 프로톤 비드름과 타겟 확산 특성과 독립적으로 비드름 시간 구조를 어떻게 조절할 수 있나요?
• RQ5 X선, 중성자, 냉각 시스템, 방사능 오염으로 인한 위험을 완화하기 위해 어떤 안전 조치가 필요합니까?

주요 결과

• HIE-ISOLDE 라인액은 총 가속 전압 39.6 MV를 제공하도록 설계되었으며, 최소 동기 단위 위상 -20°를 확보하여 가장 무거운 이온(A/q = 4.5)에 대해 10 MeV/u 이상의 비드름 에너지를 가능하게 합니다.
• 첫 번째 단계 업그레이드로 두 개의 고-β 크로모듈을 설치하여 비드름 에너지를 최대 5.5 MeV/u까지 도달할 수 있으며, 2014년 말에 시운전 계획입니다.
• 완전한 업그레이드로 추가로 네 개의 크로모듈(고-β 두 개, 저-β 두 개)을 통합하여 에너지 범위를 10 MeV/u 이상으로 확장하고, 0.45 MeV/u 이상의 전체 에너지 가변성을 확보합니다.
• 2017년 이후 계획된 프리-번칭 및 컷팅 시스템은 약 100 ns의 번들 간격을 가능하게 하여 실험에서 비드름 도착 시간 검출이 가능해집니다.
• 프리-분리기 이후에 설치된 ISCOOL, 즉 고주파 4극 냉각기 및 번들러를 통해 비드름 군집도가 크게 향상될 것으로 예상됩니다.
• 비드름 시운전은 2014년 말에 5.5 MeV/u에서 진행될 예정이며, 첫 번째 물리 실험은 2015년 초에 예상됩니다.