[논문 리뷰] The Spallation Neutron Source: A Powerful Tool for Materials Research

T. E. Mason, T.A. Gabriel외 4명|ArXiv.org|2000. 07. 19.

Nuclear Physics and Applications인용 수 15

한 줄 요약

스팔라션 뉴트론 소스(SNS)는 물질의 구조와 역학을 초고성능으로 연구할 수 있도록 설계된 고강도 펄스형 뉴트론 소스이다. 2MW의 프로톤 가속기와 수은 기반의 타겟을 이용하여 열성 및 냉각 뉴트론을 생성하며, 다양한 물질에서 원자 스케일의 현상을 탐사한다. 고도로 발전한 기기들은 기존 시설 대비 최대 100배 높은 카운트 속도와 7배 높은 동적 범위를 제공한다.

ABSTRACT

The wavelengths and energies of thermal and cold neutrons are ideally matched to the length and energy scales in the materials that underpin technologies of the present and future: ranging from semiconductors to magnetic devices, composites to biomaterials and polymers. The Spallation Neutron Source (SNS) will use an accelerator to produce the most intense beams of neutrons in the world when it is complete at the end of 2005. The project is being built by a collaboration of six U.S. Department of Energy laboratories. It will serve a diverse community of users drawn from academia, industry, and government labs with interests in condensed matter physics, chemistry, engineering materials, biology, and beyond.

연구 동기 및 목표

• 기존 시설보다 훨씬 높은 유량과 성능을 갖춘 차세대 뉴트론 소스를 개발한다.
• 뉴트론 산산이 튀김의 고유한 감도를 활용하여 경량 원소, 자화 모멘트, 그리고 동적 과정에 대한 원자 및 나노스케일의 물질 연구를 가능하게 한다.
• 고도로 발전한 뉴트론 산산이 트럼프먼트 기기들을 통해 학술계, 산업계, 정부 기관의 광범위한 사용자 커뮤니티를 지원한다.
• 혁신적인 타겟 시스템 설계와 원격 유지보수 기능을 통해 높은 신뢰성과 가동 가능성을 확보한다.
• 비탄성 및 탄성 뉴트론 산산이 트럼프먼트 측정의 동적 범위와 에너지 해상도를 향상시킨다.

제안 방법

• 선형 가속기와 축적 고리로 가속된 2MW, 1-GeV 프로톤 비임을 이용해 수은 타겟에서 스파라션 뉴트론을 생성한다.
• 냉각(19 K) 및 실온 조건의 모더레이터(H2, D2O, 복합 H2/D2O)를 사용하여 에너지 분포가 조절된 열성 및 냉각 뉴트론을 생성한다.
• 60 Hz 펄스형 뉴트론 소스를 도입하여 비행 시간 측정을 가능하게 하여 정밀한 에너지 결정과 고해상도 스펙트로스코피를 실현한다.
• 백산산스펙트럼 측정에 적합한 고정밀 시간 해상도를 확보하기 위해 84m 길이의 뉴트론 가이드 시스템을 설계한다.
• 초거울 코팅된 빔 가이드와 토글형 웨이브가이드를 사용하여 반사율 측정 기기에서 뉴트론 유량을 향상시키고 배경 방사선을 억제한다.
• 편광 뉴트론 비임과 스핀 전환 장치를 통합하여 자성 구조 및 인터페이스 연구에 고감도를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스형 스파라션 뉴트론 소스는 어떻게 기존 시설 대비 10배 이상 높은 뉴트론 유량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 펄스형 소스에서 백산산스펙트럼 측정기로 비탄성 뉴트론 산산이 트럼프먼트 측정에서 얻을 수 있는 최대 에너지 해상도는 얼마인가?
• RQ3 어떻게 뉴트론 반사율 측정 기기들이 동시에 반사율 측정 R < 10−9과 넓은 동역학적 전이 범위를 확보할 수 있는가?
• RQ4 고출력 수은 타겟 시스템의 높은 가용성과 원격 유지보수 기능을 가능하게 하는 설계적 특징은 무엇인가?
• RQ5 SNS의 기기 성능이 동적 범위와 카운트 속도 측면에서 반응형 뉴트론 소스를 초월하는 데까지 어느 정도까지 가능할 수 있는가?

주요 결과

• SNS는 당시 세계 최고 수준의 펄스형 소스인 ISIS보다 뉴트론 유량이 12배 이상 높아져, 이전에는 불가능했던 초고강도 측정이 가능해진다.
• 백산산스펙트럼 측정기는 탄성 상태에서 2.2 μeV FWHM의 에너지 해상도를 확보하고, 동적 범위는 ±258 μeV로, 기존의 반응형 기기 대비 7배 높다.
• 반사율 측정 기기들은 반사율 측정 R < 10−9를 달성하여 기존 시설 대비 10배 높은 성능을 확보하며, 고속 데이터 수집도 가능하다.
• 복합 H2/D2O 모더레이터의 사용은 100 K 에너지 범위에서 뉴트론 수확률을 증가시켜 액체 메탄 모더레이터의 성능에 근접하게 한다.
• 타겟 시스템은 타겟 용기 교체를 5일 이내로, 정비 주기를 6주 이내로 설계되어 고가용성 운영을 보장한다.
• 기기 세트는 매년 다양한 과학 및 산업 분야에서 1,000~2,000명의 사용자를 지원하며, 서로 다른 출력 수준과 주파수로 작동하는 두 개의 타겟 스테이션을 갖춘다.