[论文解读] HighNESS Conceptual Design Report: Volume I

V. Santoro, Omar Abou El Kheir+88 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Nuclear Physics and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出了欧洲散裂源（ESS）高通量中子源的HighNESS概念设计，利用大型液态氘慢化器产生冷中子、极冷中子和超冷中子。该设计优化了更长波长和更高强度的中子输出，支持先进中子散射实验及高灵敏度中子-反中子振荡（NNBAR）搜索，中子物理性能达到世界领先水平，并支持新型仪器概念的发展。

ABSTRACT

The European Spallation Source, currently under construction in Lund, Sweden, is a multidisciplinary international laboratory. Once completed to full specifications, it will operate the world's most powerful pulsed neutron source. Supported by a 3 million Euro Research and Innovation Action within the EU Horizon 2020 program, a design study (HighNESS) has been completed to develop a second neutron source located below the spallation target. Compared to the first source, designed for high cold and thermal brightness, the new source has been optimized to deliver higher intensity, and a shift to longer wavelengths in the spectral regions of cold (CN, 2--20\,Å), very cold (VCN, 10--120\,Å), and ultracold (UCN, ${>}\,{500}$\,Å) neutrons. The second source comprises a large liquid deuterium moderator designed to produce CN and support secondary VCN and UCN sources. Various options have been explored in the proposed designs, aiming for world-leading performance in neutronics. These designs will enable the development of several new instrument concepts and facilitate the implementation of a high-sensitivity neutron-antineutron oscillation experiment (NNBAR). This document serves as the Conceptual Design Report for the HighNESS project, representing its final deliverable.

研究动机与目标

• 为欧洲散裂源设计第二个人造中子源，优化目标为高通量和更长中子波长（2–120 Å），覆盖冷中子、极冷中子和超冷中子区域。
• 支持下一代中子散射仪器的发展，并支持NNBAR实验，以探测中子-反中子振荡。
• 开发可在2 MW功率下运行、未来可升级至5 MW的高性能液态氘慢化器系统。
• 探索新型慢化材料（如固态氘、纳米金刚石和氘化笼形水合物）在极冷与超冷中子产生中的应用。
• 支持开发新型热散射库与截面测量数据，以支持先进蒙特卡洛模拟。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟（GEANT4、MCNP）对液态与固态氘慢化器中的中子输运、慢化及反应性进行建模。
• 设计了一种大型液态氘慢化器，采用简化嵌套孔结构与减少的流道设计，以提升高功率下的热性能与机械稳定性。
• 探索使用嵌套镜面光学系统与单平面反射器，以在强重力环境下引导和传输极冷与超冷中子。
• 采用性能指标（FOM）与效率度量对中子物理进行优化，以最大化目标能谱区域的中子产额。
• 提出与布达佩斯CMTF测试设施及于利希Big Karl设施集成，用于原型制作与验证。
• 采用密度泛函理论（DFT）与振动态密度（VDOS）计算，对影响慢化器性能的材料特性进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2–5 MW功率下运行的液态氘慢化器，其最优几何结构与热管理设计为何，可最大化冷中子与极冷中子产额？
• RQ2 在强重力环境下，如何通过先进镜面光学系统高效引导与聚焦极冷与超冷中子？
• RQ3 在兆瓦级功率密度下，固态氘慢化器的性能极限与工程挑战是什么？
• RQ4 与新型材料（如纳米金刚石与氘化笼形水合物）相比，其在超冷中子源中的中子产生效率如何？
• RQ5 为准确模拟新型慢化材料中的中子慢化过程，需要哪些截面数据与热散射库？

主要发现

• 概念设计在中子物理性能方面达到世界领先水平，优化的液态氘慢化器几何结构可实现2 MW功率下的高通量冷中子束。
• 研究证明，采用嵌套镜面光学系统与单平面反射器可实现极冷中子在长距离内低损耗引导。
• 采用更少流道与嵌套孔结构的简化慢化器容器设计，提升了高功率下的热稳定性和机械应力控制。
• 该设计通过提供高通量极冷中子源，有力支持了NNBAR实验，对探测稀有中子-反中子振荡至关重要。
• 初步模拟表明，固态氘与基于纳米金刚石的慢化器可实现超冷中子源，但高功率运行仍需大量研发工作。
• 本项目已建立可验证的热散射库计算与实验验证流程，重点聚焦于5 K下固态氘与低于1 K的超流氦材料。