Distribution of the beam density at the target of subcritical facility "Neutron Source"

Abstract

NSC KIPT subcritical facility “Neutron Source” uses rectangular tungsten or uranium target of 64×64 mm top cross-section. To generate maximum neutron flux, prevent overheating of the target and reduce thermal stress during the facility power operation one should provide uniform electron beam distribution at the target top surface. During the facility design three different possibilities of electron beam density redistribution above the target surface were considered. These were the fast beam scanning with two dimensional scanning magnets; the method of uniform beam distribution formation with linear focusing elements (dipole and quadrupole magnets) and nonlinear focusing elements (octupole magnets), when final required rectangular beam shape with homogeneous beam density is formed at target; and combined method, when one forms the small rectangular beam with homogeneous beam density distribution and scan it over the target surface with scanning magnets. In the paper the all three methods are considered and discussed taking into account the layout of the transportation channel of NSC KIPT subcritical facility “Neutron Source”. For the first stage of the facility start-up and pilot operation the fast scanning method was chosen, realised and tested. The results of the beam distribution measurements over the surface of the target during the facility adjustment and start up are presented.

Підкритична установка «Джерело нейтронів» ННЦ ХФТІ використовує прямокутну вольфрамову або уранову мішень розміром 64×64 мм у поперечнику. Для генерації максимального потоку, запобігання перегріву мішені та зниженню температурного стресу матеріалу мішені при роботі на повній потужності прискорювача необхідно забезпечити рівномірний розподіл частинок на поверхні мішені. При проектуванні установки було розглянуто три можливості перерозподілу густини електронного пучка на поверхні мішені, такі як швидке двомірне сканування електромагнітами, метод формування однорідної густини частинок лінійними (дипольними та квадрупольними магнітами) та нелінійними (октупольними) фокусуючими елементами, коли остаточна прямокутна форма пучка з однорідним розподілом густини частинок формується на мішені, та комбінований метод, коли маленький квадрат з однорідною щільністю формується нелінійними фокусуючими елементами, а потім сканується по поверхні мішені дипольними магнітами. Розглянуто та обговорено всі три методи, беручи до уваги структуру каналу транспортування пучка підкритичної установки «Джерело нейтронів» ННЦ ХФТІ. На першій стадії фізичного пуску та дослідно-промислової експлуатації метод швидкого сканування було вибрано до реалізації та протестовано. Представлено результати вимірювань розподілу щільності електронів на поверхні мішені, які було отримано при підготовці та протягом фізичного пуску установки.

Подкритическая установка «Источник нейтронов» ННЦ ХФТИ использует прямоугольную вольфрамовую или урановую мишень размером 64×64 мм в поперечном сечении. Для генерации максимального потока нейтронов, предотвращения перегрева мишени и снижения температурного стресса материала мишени при работе на полной мощности ускорителя необходимо обеспечить равномерное распределение частиц на поверхности мишени. При проектировании установки были рассмотрены три возможности перераспределения плотности электронного пучка на поверхности мишени, такие как быстрое двухмерное сканирование электромагнитами, метод формирования однородной плотности частиц линейными (дипольными и квадрупольными магнитами) и нелинейными (октупольными) фокусирующими элементами, когда окончательная прямоугольная форма пучка с однородным распределением плотности частиц формируется на мишени, и комбинированный метод, когда небольшой квадрат с однородной плотностью формируется нелинейными фокусирующими элементами и затем сканируется по поверхности мишени дипольными магнитами. Рассмотрены все три метода, принимая во внимание структуру канала транспортировки пучка подкритической установки «Источник нейтронов» ННЦ ХФТИ. На первой стадии физического пуска и опытно-промышленной эксплуатации метод быстрого сканирования был выбран для реализации и протестирован. Представлены результаты измерений распределения плотности электронов на поверхности мишени, которые были получены при подготовке и в течение физического пуска установки.