중 입자 가속기 인-플라이트 빔 라인의 최적화 연구 및 설계
Seon-Yeong Noh, Ji-Gwang Hwang, Eun-San Kim Department of physics
Kyungpook National University, Daegu, Korea
Abstract
중이온 가속기의 인-플라이트 빔 라인은 사이클로트롞에서 발생되는 높은 에너지의 이온을 타겟에 입사시켜 방사성 동위원소를 발생시키는 방 식인 Projectile Fragment 방식을 사용하고 있다. 중이온 가속기의 연구용 빔 라인의 설계에 있어서 방사성 동위 원소의 분리가 가속기의 성능을 결정한다. 따라서 우리는 높은 분해능을 얻기 위해 타겟, 2개의 이극자석, 12개의 사극자석, 1개의 디그레이더를 사용하여 인-플라이트 빔 라인의 최적화 연구를 수행 하였으며 그 결과 빔 라인의 총 길이는 20.183m, 에너지 수용은 ±5%, 각 수용은 ±20mrad, 빔 파이프의 반경은 10cm인 연구 용 빔 라인 설계를 얻었으며 이번 발표에서는 최적화된 연구 결과를 발표 할 것이다.
1. Main mechanism of beam production
Projectile Fragment (입자 핵 파쇄 반응)방식은 매우 높은 에너지를 갖 는 빔이 타겟에 입사되어 충돌하면서 초기 빔 보다 작은 질량 수를 갖는 조각들로 나누어 지는 이차 빔 생산 방식이다. 이차 빔은 타겟 이후에 생 성되고, 초기 빔 운동에너지의 90%이상이 이차 빔에 유지된다. 따라서 인-플라이트 빔 분리 기술의 이점은 입자의 재 가속이 필요 없는 고 에너 지로 젂달 된다는 것이다. 또한 생성된 이차 빔의 입자들은 에너지가 비 슷하며 중성자 수가 높아 핵 물리 연구에 좋은 소스가 될 수 있다.
2. Layout of in-flight beam line for KHIMA
•Energy dispersion: 1.5448 [m] • Mass dispersion: -0.90818[m]
•E/ΔE (x0=2.36mm): 205 (d/R=0.5; without energy straggling)
• A/ΔA (x0=2.36mm): 146 (d/R=0.5; without energy straggling)
• Total beam line length : 20.183m
• Energy acceptance : ± 5%
• Angular acceptance : θ= ± 20 [mrad] Φ= ± 40 [mrad]
• Energy degrader : Uniform (9.9cm)
• Bρ(magnetic rigidity) ≒ 8.8 [T·m] B< 1.5 [T] ρ= 8.8/1.5>5.866 ≒ 6 [m]
• Beam pipe : 10 [cm]
• Production rate : 6.251x107 [pps]
• Target thickness : 10.24 [cm] beryllium target (50pnA)
038 .
) 205
| (
2
| )
| (
|
0
x x x R x
E395 .
) 146
| (
2
| )
| (
|
0
x x x R x
m3. Simulation for target selection
•첫 번째 그림은 베릴륨, 납, 구리, 탄소 원소의 타겟을 사용하여 타겟 두께 에 따른 9Li3+ 원소 생성률을 비교 하였다. 납과 구리에 비해 상대적으로 탄 소와 베릴륨 타겟이 두께 100m 정도에서 가장 많이 생성된다. 초기 빔( 12C) 젂류가 50pnA일 경우 9Li3+의 원소 생성률은 6.249x107이다.
•두 번째 그림은 타겟에서 출사되는 이차 빔의 반치폭(Full Width Half
Maximum)이 작은 에너지 빔 분포를 선택하기 위해 타겟 두께에 따른 4가 지 원소의 반치폭(FWHM)을 시뮬레이션 하였다. 탄소 타겟의 경우 빔 에너 지 퍼짐이 베릴륨 타겟의 빔 퍼짐보다 크다.
•세 번째 그림은 4가지 원소의 타겟의 두께에 따른 에너지 손실 그래프이다.
두께 100mm 에서 베릴륨 타겟이 탄소 타겟보다 에너지 손실이 작다. 두께 100mm 베릴륨 타겟을 사용 했을 때의 9Li3+의 에너지는 약 340MeV/u이다.
4. First order trajectory without degrader
5. First order trajectory with degrader
6. Conclusion
인-플라이트 빔 라인은 이극자석과 사극자석, 에너지 디그레이더에 의해 고차항의 효과, 즉 비선형효과가 발생한다. 이는 다른 이온들의 혼합 및 수 용 능력 감소로 설계된 빔 라인의 성능을 저하시킨다. 고차항의 효과를 최 소화 하기 위해 거울 대칭 구조의 형태로 제작 되었으나 고차항의 효과로 인한 빔 라인의 성능 저하를 완젂히 보정하기는 어렵다. 따라서, 고차항의 효과를 보정 해 주는 육극 자석을 적젃히 배치하여 마지막에 출력되는 빔의 크기를 줄이는 것이 필요하다. 또한, 빔 라인의 총 길이는 짧을 수록, 빔 파
이프는 작을 수록, 빔 수용은 클 수록 성능이 좋은 빔 라인이라 할 수 있으 므로 좀 더 향상된 빔 라인을 설계 하는 것이 필요하다.
-20, -10, 0, 10, 20 mrad -40, -20, 0, 20, 40 mrad Horizontal direction Vertical direction
Horizontal direction
dE/E=+5% dE/E=0% dE/E=-5%
