[论文解读] Status of the HIE-ISOLDE project at CERN

Fraser, Yacine Kadi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2017

Superconducting Materials and Applications参考文献 4被引用 3

一句话总结

HIE-ISOLDE项目通过在CERN的ISOLDE设施中安装一台40 MV超导直线加速器，对ISOLDE设施进行了升级，该加速器包含六个液冷模块中的32个铌涂层四分之一波长谐振腔，分阶段实施后，使后加速放射性离子束的能量从3 MeV/u提升至10 MeV/u以上。该升级使新的核物理实验成为可能，包括核图中各区域的转移反应和精密研究，通过分阶段安装液冷模块和预聚束系统，实现了更高的束流强度、更低的发射度以及更高的能量可调性。

ABSTRACT

The HIE-ISOLDE project represents a major upgrade of the ISOLDE nuclear facility with a mandate to significantly improve the quality and increase the intensity and energy of radioactive nuclear beams produced at CERN. The project will expand the experimental nuclear physics programme at ISOLDE by focusing on an upgrade of the existing Radioactive ion beam EXperiment (REX) linac with a 40 MV superconducting linac comprising thirty-two niobium-on-copper sputter-coated quarter-wave resonators housed in six cryomodules. The new linac will raise the energy of post-accelerated beams from 3 MeV/u to over 10 MeV/u. The upgrade will be staged to first deliver beam energies of 5.5 MeV/u using two high-$β$ cryomodules placed downstream of REX, before the energy variable section of the existing linac is replaced with two low-$β$ cryomodules and two additional high-$β$ cryomodules are installed to attain over 10 MeV/u with full energy variability above 0.45 MeV/u. An overview of the project including a status summary of the different R&D activities and the schedule will outlined.

研究动机与目标

• 显著提升CERN ISOLDE设施中后加速放射性离子束的能量和强度。
• 通过将束流能量扩展至10 MeV/u，实现核结构与反应研究的新实验能力。
• 通过ISCOOL冷却器和改进的离子源与靶系统，降低发射度，提升束流质量。
• 在0.45 MeV/u以上实现全能量可调性，并通过升级的电荷倍增技术支持高电荷态离子。
• 通过在CERN长期停机期间安排主要升级，确保对正在进行实验的干扰最小化。

提出的方法

• 安装一台由32个铜衬底上溅射镀铌的四分之一波长谐振腔（QWRs）组成的40 MV超导直线加速器，工作频率为101.28 MHz。
• 分阶段实施升级：首先在REX下游安装两个高β液冷模块（βg = 10.3%），实现5.5 MeV/u的能量，随后用低β（βg = 6.3%）液冷模块替换能量可调区段。
• 以模块化方式增加两个高β液冷模块和两个低β液冷模块，实现最高达10 MeV/u的全能量范围。
• 在RFQ之前实施预聚束方案，利用亚谐频和束流切碎器，实现飞行时间探测，并减少卫星束团带来的背景干扰。
• 采用超导螺线管、偏转磁铁和束流诊断系统，在空间受限条件下保持束流稳定性和光学性能。
• 采用先进磁铁技术设计高能束流传输（HEBT）线，以支持同量异位素分离和三个实验站的运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 HIE-ISOLDE升级后，后加速放射性离子束的最大可实现能量是多少？
• RQ2 如何通过降低发射度和提升强度来改善束流质量，以支持先进的核物理实验？
• RQ3 超导直线加速器的最佳配置与分阶段实施策略是什么，以确保早期束流可用性并实现全能量覆盖？
• RQ4 如何独立于质子束流和靶扩散特性，对束流时间结构进行定制？
• RQ5 为减轻X射线、中子、低温系统和放射性污染带来的风险，需要采取哪些安全措施？

主要发现

• HIE-ISOLDE直线加速器设计总加速电压为39.6 MV，最小同步相位为-20°，可使最重的离子（A/q = 4.5）实现超过10 MeV/u的束流能量。
• 升级的第一阶段，通过两个高β液冷模块，可实现最高5.5 MeV/u的束流能量，计划于2014年底完成调试。
• 完整升级包括增加四个额外液冷模块（两个高β和两个低β），将能量范围扩展至10 MeV/u以上，并在0.45 MeV/u以上实现全能量可调性。
• 计划于2017年后实施的预聚束与切碎系统，将实现约100 ns的束团间距，并支持实验中进行飞行时间探测。
• 通过在预分离器后安装ISCOOL（射频四极棒冷却器与聚束器），预计可显著改善束流发射度。
• 项目按计划于2014年底实现5.5 MeV/u的束流调试，首批物理实验预计于2015年初开始。