[论文解读] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 2 (2020): SPS Beam Dump Facility: Comprehensive Design Study

C. Ahdida|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 73被引用 12

一句话总结

这项全面的设计研究提出在CERN北区建设SPS束流终止装置（BDF），以实现高强度质子束流终止和固定靶实验，主要支持SHiP实验。研究详细阐述了先进的束流引出、传输、靶系统设计及辐射屏蔽，采用晶体相空间折叠等创新损耗降低技术，实现90%的慢引出效率，并建立高通量中子束，用于核天体物理学研究和材料辐照测试，中子通量可达每年10^18 n_eq/cm²，辐照总剂量达每年400 MGy。

ABSTRACT

The proposed Beam Dump Facility (BDF) is foreseen to be located at the North Area of the SPS. It is designed to be able to serve both beam dump like and fixed target experiments. The SPS and the new facility would offer unique possibilities to enter a new era of exploration at the intensity frontier. Possible options include searches for very weakly interacting particles predicted by Hidden Sector models, and flavour physics measurements. In the first instance, exploitation of the facility, in beam dump mode, is envisaged to be for the Search for Hidden Particle (SHiP) experiment. Following the first evaluation of the BDF in 2014-2016, CERN management launched a Comprehensive Design Study over three years for the facility. The BDF study team has since executed an in-depth feasibility study of proton delivery to target, the target complex, and the underground experimental area, including prototyping of key sub-systems and evaluations of the radiological aspects and safety. A first iteration of detailed integration and civil engineering studies have been performed in order to produce a realistic schedule and cost. This document gives a detailed overview of the proposed facility together with the results of the studies, and draws up a possible road map for a three-year Technical Design Report phase, followed by a 5 to 6 year construction phase.

研究动机与目标

• 在CERN SPS北区设计一个高强度束流终止设施，以支持SHiP实验及其他固定靶物理研究。
• 实现从SPS中高效、稳定且安全的质子慢引出，同时将束流损失降至最低。
• 开发一种能够承受400 MW束流功率的靶系统，同时最大限度减少活化和辐射暴露。
• 实现高通量中子束，用于短寿命核素（如134Cs和170Tm）的核天体物理学测量。
• 提供一个独特的辐照设施，用于在极端辐射条件下测试电子器件和材料，模拟未来加速器环境。

提出的方法

• 利用磁铁和快脉冲系统实现SPS的慢引出，通过校准的束流强度监测器实时监控束流强度。
• 采用恒定光学慢引出（COSE）技术，并结合无源/有源扩散器（如导线阵列和弯曲晶体）以减少束流损失并提高引出效率。
• 通过八极子和无质量隔板实现相空间折叠，以最小化引出过程中的束流损失并改善束流脉冲质量。
• 设计具备光学校正、束流稀释和分束能力的传输线系统，确保束流在传输至靶时的发射度增长最小化。
• 开发高功率靶系统，采用直径100 mm、长度100 mm的液态钨靶，通过强制液态金属流冷却。
• 在靶附近及屏蔽区域设置辐照站，用于在极端辐射场中测试材料和电子器件，包括总电离剂量（TID）和位移损伤剂量（DPA）效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPS在BDF中可实现的束流参数和引出效率如何，特别是针对SHiP实验？
• RQ2 如何通过先进光学和束流调控技术最小化慢引出过程中的束流损失？
• RQ3 BDF可实现的最大中子通量和注量是多少？其对核天体物理学测量有何支持作用？
• RQ4 BDF可达到的辐射水平如何？与未来加速器需求相比有何差异？
• RQ5 如何在最小干扰现有SPS设施的前提下，将BDF集成到CERN现有基础设施中？

主要发现

• 通过COSE与晶体相空间折叠技术的模拟结果显示，实现了90%的慢引出效率，显著降低了束流损失。
• 利用FLUKA软件对束流损失剖面进行了精确建模，预测在基准条件下束流损失率为10%，通过有源与无源扩散器可进一步优化。
• 靶系统设计可承受400 MW束流功率，采用液态钨靶，直径100 mm、长度100 mm，实现最佳散热性能。
• 该设施可实现高达10^18 1-MeV中子当量每平方厘米每年的中子注量率，以及每年400 MGy的总剂量，非常适合高强度辐照测试。
• 辐照站可实现高达400 MGy的TID水平和与FCC-hh及HE-LHC探测器环境相当的DPA水平，可实现对辐射抗毁元件的预先鉴定。
• 该设施通过产生足够量的短寿命核素（如134Cs，半衰期2年；170Tm，半衰期0.35年），支持加速器质谱测量，助力核天体物理学研究。