ESS

European Spallation Source
Вид с высоты на исследовательский центр
Вид с высоты на исследовательский центр
Тип линак
Назначение источник нейтронов
Страна Швеция
Годы работы с 2025
Технические параметры
Частицы протоны
Энергия 2 ГэВ
Периметр/длина 600 м
Частота повторения 14 Гц
Ток пучка 62.5 мА (в импульсе 2.6 мс)
Прочая информация
Географические координаты 35°57′03″ с. ш. 84°18′07″ з. д.
Сайт ess.eu
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

European Spallation Source (ESS) — строящийся международный ускорительный комплекс, самый интенсивный в мире импульсный источник нейтронов. Установка сооружается близ города Лунд, Швеция, силами 23 европейских организаций из 13 стран[1]: Великобритания, Венгрия, Германия, Дания, Испания, Италия, Норвегия, Польша, Франция, Швейцария, Швеция, Чехия, Эстония[2].

Сверхпроводящий ускоритель

Ускорительный комплекс

Поток нейтронов возникает в результате реакции скалывания при сбросе пучка протонов высокой энергии на мишень из материала с тяжёлым ядром: протон выбивает из ядра отдельные нуклоны, оставляя ядро в нестабильном и возбуждённом состоянии. Ядро излучает протоны, нейтроны, альфа-частицы с характерными «ядерными энергиями» ~ 2 МэВ, за пределы мишени выходят лишь не имеющие электрического заряда нейтроны. Высокоэнергетичные нуклоны, выбитые первичным протоном, продолжают каскадную реакцию скалывания с пониженной энергией.

Ускоритель

Комплекс представляет собой каскад ускорителей, в совокупности ускоряющий пучок протонов до 2 ГэВ, при этом средняя мощность в пучке должна составить 5 МВт. Ввиду дороговизны проекта было принято решение на первом этапе снизить мощность до 2 МВт за счёт снижения энергии до 0.8 МэВ[1]. При этом мишенный узел сооружается на полную проектную мощность. В общей сложности ускоритель включает в себя 155 ускоряющих резонаторов и 353 магнита, задающих прохождение и фокусировку пучка[3]. Каскад ускорения можно разбить на следующие части.

Общая схема ускорительного комплекса
  • ISrc (ESS Ion Source) — ионный источник с магнетронным разрядом, из которого вытягивается пучок протонов с энергией 75 кэВ[4].
  • LEBT (Low Energy Beam Transfer) — транспорт пучка низкой энергии к первой секции ускорителя, сочетающий фокусирующие магниты и элементы диагностики пучка.
  • RFQ (Radio-Frequency Quadrupole) — ускоритель RFQ, формирующий непрерывный пучок источника в сгустки, и ускоряющий их до энергии 3.6 МэВ, работающий на частоте 352.21 МГц[5].
  • MEBT (Medium Energy Beam Transport) — участок транспортировки пучка к следующей секции ускорения
  • DTL (Drift Tubes Linac) — нормальнопроводящий линейный ускоритель с трубками дрейфа до энергии 90 МэВ, длиной почти 40 м. Рабочая частота 352.21 МГц.
  • Spoke SRF — первая ступень сверхпроводящего линака, состоящего из 26 спицевых резонаторов, для слаборелятивисткого пучка протонов (до энергии 216 МэВ), работающих на той же частоте 352.21 МГц[6].
  • Elliptical SRF — вторая и третья ступень ускорения (36 + 84 сверхпроводящих резонатора), до полной энергии 2 ГэВ. Работает на удвоенной частоте 704.41 МГц.
  • HEBT (High Energy Beam Transport) — канал транспортировки пучка к мишени[7].
Сборка мишенного узла

Мишень

Пучок несёт в себе огромную мощность (5 МВт), имея диаметр всего около 2 мм[7]. Чтобы принять эту беспрецедентную мощность разработан мишенный комплекс, представляющий собой сложное инженерное сооружение, работающее в тяжёлых радиацонных условиях. Здание мишенного узла имеет размеры 22×130 метров и высоту 37 м[8]. Мишень представляет собой колесо диаметром 2.6 м, в котором размещено 6840 блоков вольфрама общей массой 3 тонны. Колесо закреплено на конце 5 м вала, чтобы вынести вращающий его двигатель и другие требующие обслуживания узлы из радиационно-опасной зоны. Колесо разбито на 36 секторов и вращается с частотой 14Гц/36 = 0.39 Гц синхронно с приходом импульсов пучка, таким образом, чтоб каждый следующий импульс попадал в следующий сектор. Выделяемая в мишени мощность снимается продуваемым под давлением 11 атмосфер между блоками вольфрама гелием. Гелий циркулирует в замкнутом контуре, поскольку в него выделяется значительное количество радиоактивного трития, образуемого под воздействием облучения и при разогреве вольфрамовых блоков до 1000°C[8].

Весь мишенный блок, а также нейтронные модераторы и рефлекторы и диагностическая аппаратура заключены в так называемый "монолит", заполненный 3000 тоннами железа для радиационной защиты. Пучок протонов попадает к мишени, выпускаясь через алюминиевое "окно".

Строящиеся выводы нейтронных пучков от мишени на экспериментальные станции BEER, NMX, CSPEC и BIFROST, май 2023
Экспериментальная установка LoKI

Экспериментальные станции

На первом этапе сооружается 15 пользовательских станций[9]

  • ODIN (Imaging)
  • SKADI (General purpose SANS)
  • LoKI (Broadband SANS)
  • FREIA (Horizontal reflectometer)
  • ESTIA (Vertical reflectometer)
  • HEIMDAL (Powder diffractometer)
  • DREAM (Powder diffractometer)
  • BEER (Engineering diffractometer)
  • MAGiC (Magnetism diffractometer)
  • NMX (Macromolecular diffractometer)
  • CSPEC (Cold chopper spectrometer)
  • T-REX (Thermal chopper spectrometer)
  • BIFROST (Crystal analyser spectrometer)
  • VESPA (Vibrational spectrometer)
  • MIRACLES (Backscattering spectrometer)
Стройка здания мишенного узла, 2017 год

История

В 1999 году Организация экономического сотрудничества и развития объявила, что на смену действующим установкам, таким как ISIS, должны быть построены нейтронные источники нового поколения в Северной Америке, Азии и Европе[10]. В США и Японии было развёрнуто строительство центров SNS и J-PARC, а в Европе согласование затянулось. Место строительства было утверждено лишь в 2009 году, само строительство комплекса началось в 2014 году. Планировалось получить первые протоны на мишени с энергией 570 МэВ и первые нейтроны в 2019 году, а первые эксперименты на пользовательских станциях начать в 2023 году[11].

Первый пучок из ионного источника был получен в 2018 году[4]. В 2022 году пучок протонов был ускорен в нормальнопроводящей части линака[12]. В мае 2025 года пучок был ускорен до энергии 800 МэВ (проектная энергия первого этапа) и прошёл весь путь до поглотителя[13].

См. также

  • SNS — Spallation Neutron Source
  • CSNS — China Spallation Neutron Source
  • ISIS — источник нейтронов в Великобритании

Примечания

  1. ↑ 1 2 A. Jansson. The Status of the ESS Project // Proc. IPAC'2022. — JACoW, 2022. — С. 792-795. — doi:10.18429/JACoW-IPAC2022-TUIYGD1.
  2. ↑ ESS Organisation
  3. ↑ Technology: Accelerator Systems
  4. ↑ 1 2 E. Laface. First Beam Transmission Measurements in Ion Source and LEBT at the European Spallation Source // Proc. IPAC'2019. — JACoW, 2019. — С. 2353-2355. — doi:10.18429/JACoW-IPAC2019-WEPMP020.
  5. ↑ Where the protons are created and accelerated up to 90 MeV.
  6. ↑ The Spoke linac
  7. ↑ 1 2 The High Energy Beam Transport (HEBT)
  8. ↑ 1 2 Rikard Linander. The ESS target design and beam raster system // Workshop on the "Status of Accelerator Driven Systems Research and Technology Development". — CERN, 2017. — Февраль.
  9. ↑ K.H. Andersen et al. The instrument suite of the European Spallation Source // NIM A. — Elsevier, 2020. — Т. 957. — С. 1-39. — doi:10.1016/j.nima.2020.163402.
  10. ↑ The ESS Story
  11. ↑ M. Lindroos et al. Status of the ESS Accelerator Construction Project // Proc. IPAC'2015. — JACoW, 2015. — С. 3870-3872. — doi:10.18429/JACoW-IPAC2015-THPF080.
  12. ↑ R. Miyamoto et al. Beam Commissioning of Normal Conducting Part and Status of ESS Project // Proc. LINAC'2022. — JACoW, 2022. — С. 18-24. — doi:10.18429/JACoW-LINAC2022-MO1PA02.
  13. ↑ ESS Achieves Beam on Dump: Accelerator Commissioning Underway, May 16, 2025
Эта статья взята у (из) Википедия. Текст лицензируется по Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.