[论文解读] Pulsed Neutron Source using 100-MeV electron Linac at Pohang Accelerator Laboratory

G. N. Kim, Heung-Sik Kang+4 more|ArXiv.org|Aug 15, 2000

Nuclear Physics and Applications被引用 3

一句话总结

本论文介绍了在浦项加速器实验室建造并初步测试的100-MeV电子直线加速器，该装置通过在钽靶中产生轫致辐射和光致核反应，生成脉冲中子源。该设施实现了15米的飞行路径，实测长度为10.81±0.02米，实现了0.5 µs通道分辨率的飞行时间谱学，可用于核数据测量的中子能量分辨率。

ABSTRACT

The Pohang Accelerator Laboratory operates an electron linac for the pulsed neutron source as one of the long-term nuclear R&D programs at the Korea Atomic Energy Research Institute. The designed beam parameters are as follows; The nominal beam energy is 100 MeV, the maximum beam power is 10 kW, and the beam current is varied from 300 mA to 5A depends on the pulse repetition. The linac has two operating modes: one for short pulse modes with the various repetitions between 2 ns and 100 ns and the other for long pulse modes with 1 ms repetition. We have constructed and tested an electron linac based on the existing equipment such as a SLAC-5045 klystron, two constant gradient accelerating sections, and a thermionic RF-gun. We present the characteristics of the linac and report the status of the pulsed neutron source facilities include a target system and time-of-flight paths.

研究动机与目标

• 通过电子驱动的光致中子产生，开发用于高分辨率核数据测量的脉冲中子源。
• 利用浦项加速器实验室现有基础设施，构建成本效益高、高强度的中子设施。
• 验证飞行路径长度和中子能量分辨率，为未来的核截面测量提供支持。
• 展示100-MeV电子直线加速器在钽靶与水冷系统下的束流性能和中子产额。
• 建立具备16,384通道时间分辨率的可靠中子飞行时间谱学数据采集系统。

提出的方法

• 利用现有组件（SLAC-5045 klystron、两个常梯度加速结构、热阴极射频枪及束流诊断设备）构建100-MeV电子直线加速器。
• 在直线加速器垂直方向布置15米长的不锈钢飞行管，使用6Li玻璃闪烁体和BF3计数器进行中子探测和束流监测。
• 采用150 MHz时间数字化仪（Turbo MCS），通道宽度为0.5 µs，使用12 Hz射频触发进行飞行时间数据采集。
• 通过最小二乘法拟合共振能量与通道数数据，利用公式 L = (3.72 × ∆t × I + τ) / ∆E 确定飞行路径长度。
• 使用Sm、Ta、W和Ag样品进行中子飞行时间测量，并使用0.5 mm Cd滤波器抑制热中子。
• 通过聚乙烯和铅屏蔽探测器，以减少伽马脉冲和热中子本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 浦项中子设施15米飞行路径的有效飞行路径长度是多少？
• RQ2 使用现有组件的100-MeV电子直线加速器可实现的束流参数（能量、电流、脉冲宽度）是什么？
• RQ3 100-MeV电子束在钽靶上每千瓦束流功率产生的中子产额是多少？
• RQ4 时间飞行系统在0.5 µs通道宽度下对中子能量的分辨能力如何？
• RQ5 在75 MeV能量下，电子束的测量能量展宽和发射度是多少？

主要发现

• 通过最小二乘法拟合共振能量与通道数数据，测得飞行路径长度为10.81 ± 0.02米。
• 电子直线加速器在末端实现了最大束流能量75 MeV，束流强度40 mA，脉冲宽度1.8 µs，重复频率12 Hz。
• 通过优化射频相位和α磁铁磁场，能量展宽降低至1%以下。
• 钽靶的中子产额估计为每千瓦束流功率产生2.0×10^12个中子/秒。
• 时间飞行系统利用16,384通道的Turbo MCS数字化仪，实现了0.5 µs通道分辨率。
• RF触发与实际零时刻之间的延迟时间τ测量为0.87 µs，对精确能量标定至关重要。