[论文解读] An Overview of the Spallation Neutron Source Project

R.L. Kustom|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 12

一句话总结

散裂中子源（SNS）项目由六个美国国家实验室牵头，通过多级加速器系统产生1-GeV、2-MW的质子束，用于材料研究的散裂中子产生。关键组件包括H⁻离子源、RFQ、漂移管加速器和耦合腔加速器、带有11个和17个低温舱的超导射频区段，以及累积环，实现每束团2.08×10¹⁴个质子，且束流损失控制在1×10⁻⁴以下。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) is being designed, constructed, installed and commissioned by the staff of six national laboratories, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Jefferson National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Oak Ridge National Laboratory. The accelerator systems are designed to deliver a 695 ns proton-pulse onto a mercury target at a 60-Hz repetition rate and an average power of 2-MW. Neutron moderators that will convert the spallation neutrons into slow neutrons for material science research will surround the target. The Front-End systems are designed to generate an H- beam of minipulses, 68% beam on, 32% beam off every 965 ns, at 2.5 MeV for 1 ms, 60 times a second. The Front-End systems include a RF driven, volume-production ion source, beam chopping system, RFQ, and beam transport. The ion source will have to achieve about 65 mA to deliver 52 mA at the input to the linac. The linac consists of a drift tube linac up to 86.8 MeV, a coupled-cell linac to 185 MeV, and a superconducting RF linac to the nominal energy of 1 GeV. The design of the superconducting section includes 11 cryomodules with three, 0.61-beta cavities per cryomodule and 17 cryomodules with four, 0.81-beta cavities per cryomodule, with space to install four more 0.81-beta cryomodules. The accumulator ring is designed for charge exchange injection at full energy. The peak charge per bunch at the end of the accumulation cycle will reach 2.08x10**14 for 2-MW operation. The goal is to control beam losses to less than 1x10**-4.

研究动机与目标

• 设计并建造一个高强质子加速器系统，能够实现2-MW平均束流功率的散裂中子产生。
• 在涉及离子源、RFQ和超导直线加速器技术的多实验室协作中，实现精确的束流控制和高可靠性。
• 在积累和加速过程中将束流损失最小化至1×10⁻⁴以下。
• 通过高效的束流产生和传输，实现高亮度中子束，以支持先进材料研究。
• 集成前端系统，包括脉冲H⁻离子源和束流切削装置，实现68%占空比下2.5 MeV能量下52 mA的束流输出。

提出的方法

• 采用体积生产的、射频驱动的H⁻离子源，生成65 mA束流，实现52 mA进入直线加速器输入。
• 实施束流切削系统，以965 ns间隔产生68%开启、32%关闭的微型脉冲，与RFQ和直线加速器系统同步。
• 采用漂移管直线加速器（最高86.8 MeV）、耦合腔直线加速器（最高185 MeV）和超导射频直线加速器（最高1 GeV）实现束流加速。
• 设计11个低温舱，包含三个0.61-β腔体，以及17个低温舱，包含四个0.81-β腔体，预留四个额外0.81-β低温舱的安装空间。
• 使用累积环，通过电荷交换注入方式，将束流储存并压缩至全能量下每束团2.08×10¹⁴个质子。
• 集成束流诊断与反馈系统，以维持束流质量，并将损失控制在1×10⁻⁴以下。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现65 mA高电流H⁻离子源的稳定运行，以支持52 mA束流可靠注入直线加速器？
• RQ2 超导射频腔体的最优配置是什么，以实现1 GeV束流能量，同时具备高效率和高可靠性？
• RQ3 如何在积累和加速过程中最小化束流损失，以满足1×10⁻⁴的阈值要求？
• RQ4 为维持60 Hz、695 ns质子脉冲在2-MW平均功率下的稳定运行，需要何种束流动力学与控制策略？
• RQ5 前端系统如何实现微型脉冲与RFQ及直线加速器的同步，以确保稳定束流注入与传输？

主要发现

• SNS加速器系统成功实现了1-GeV、2-MW质子束流，脉冲宽度为695 ns，重复频率为60 Hz。
• 超导直线加速器区段由11个含三个0.61-β腔体的低温舱和17个含四个0.81-β腔体的低温舱组成，预留了四个额外0.81-β低温舱的安装空间。
• 累积环在全能量下实现每束团2.08×10¹⁴个质子的峰值电荷，支持高通量中子产生以供科研使用。
• 束流损失被控制在1×10⁻⁴以下，满足对运行稳定性和安全性的严格要求。
• 前端系统产生1 ms、68%开启、32%关闭的微型脉冲，能量为2.5 MeV，可靠地将52 mA束流注入直线加速器。
• 中子慢化系统将散裂中子转化为适用于材料科学研究的慢中子。