Transverse dynamics and system overview for the LEBT section of the ESS linac

Abstract

The Low Energy Beam Transport, LEBT, is the _rst part of the European Spallation Source accelerator, the ESS linac, that is currently under construction in Lund. The LEBT section, that will be installed and commissioned in early 2018, has the purpose of focusing and steering the low-energy proton beam that enters directly from the ion source. For simulation of the beam dynamics in the LEBT, ESS uses the accelerator application library OpenXAL. This thesis presents the work in benchmarking models for the LEBT's focusing solenoids and steerers for OpenXAL, as well as the development of a user-friendly trajectory and envelope simulation application for the control room. Using TraceWin as a reference, the derived three-lenses approximation reduced the estimated worst case angle error of the steerers from 11.5% to 4.5% for the horizontal steerer and from 9.8% to 3.7% for the vertical steerer. Similar error reductions were found for the modi_ed hard-edge model for the solenoids and the envelope evolution model. The LEBT application will be further developed by the Beam Physics section of ESS, and will _nally be used in the control room during commissioning and routine operations of the LEBT.

Popular Abstract (Swedish)

Europas behov av en avancerad, kraftfull neutronspjälkningsskälla uttrycktes redan för 20 år sedan. I detta nu är European Spallation Source, ESS, under uppbyggnad i Lund, Sverige. Dess 600 meter långa accelerator kommer att accelera protoner till nära ljusets hastighet, vilka sedan ska kollideras med ett strålmål av volfram för att utvinna neutroner. Nya möjligheter till forskning inom material och biovetenskap, energiteknik, kulturarv och grundläggande fysik kommer därmed att skapas. Forskare och ingenjörer från mer än 100 partnerlaboratorier samarbetar just nu för att göra detta möjligt, och cirka två till tre tusen gästforskare förväntas sedan att utföra experiment på ESS varje år.

Den linjära acceleratorn är uppbyggd av flera olika sektioner, alla med specifika uppgifter, som protonstrålen kommer att passera innan den kolliderar strålmålet. Neutronerna som utvinns ur kollisionen (laddningsneutrala elemetarpartiklar som hittas i atomers kärnor) kan därefter komma extremt nära ett prov, och interagera ända in vid kärnan av provets atomer. Mindre och mer komplexa prov kan därmed undersökas, vilket möjliggör studier av bland annat sällsynta och biologiska prover och prover under extrema förhållanden.

Den första delen av acceleratorn är en sektion som kallas Low Energy Beam Transport, eller “LEBT”, som kan översättas till “lågenergisk stråltransport”. LEBT är den första av alla delar av acceleratorn som kommer att idriftställas, vilket planeras att utföras våren 2018. Syftet med denna sektion är att samla de utspridda protonerna från protonkällan, och transportera en fokuserad stråle rakt in i den snäva öppningen av nästa del av acceleratorn. För att kunna tjäna sitt syfte är LEBT utrustad med fokuseringselement, solenoider, samt strålstyrningselement av två typer: horisontell och vertikal styrning.

När LEBT installeras och används är det viktigt att känna till protonstrålens väg och utbredning. Till hjälp för detta behövs ett simuleringsverktyg, som simulerar dessa egenskaper. Simuleringsmodellerna för hur strålen påverkas av de olika elementen i LEBT måste vara tillförlitliga och testade. I detta masterprojekt har tillförlitliga modeller för hur solenoiderna och styrelementen påverkar strålen tagits fram, samt en modell för hur utbredningen av strålen utvecklas inom denna sektion. Även en första version av ett simuleringsverktyg som innehåller dessa modeller har utvecklats, vilket kommer att användas vid installationen av LEBT. En komplett accelerator förväntas vara redo år 2021, efter installationen av alla följande sektioner har slutförts. Protonstrålen kommer då att kollidera med volfram-metallen och producera neutroner. De producerade neutronerna är viktiga för utveckling av nya och bättre datachip, kosmetika, tvättmedel, textilier, färger, bränslen, mediciner, batterier och plaster. Industriellt pådrivande tekniker så som bränsleceller, supraledare, innovativ strukturteknik, klimat, transport och livsmedelsteknik, läkemedel, medicinsk utrustning och ren energi är alla beroende av framsteg i kapaciteten och förmågan hos vetenskapen om neutronspridning. Forskning med neutroner ger alltså slutligen kunskap som förbättrar vår vardag, vår hälsa och miljön, där detaljerade studier är beroende av hur många neutroner som kan produceras. ESS kommer att ge upp till 100 gånger intensivare neutronstrålar än be_ntliga anläggningar idag, vilket gör anläggningen till en av de största vetenskapliga och tekniska infrastrukturprojekten under uppbyggnad. ESS är i framkanten av nästa århundrades experimentella vetenskap, och är världens nästa stora Big Science-anläggning.

• author: Louisy, Sofia
• supervisor: Natalia Milas; Mamad Eshraqi; Joakim Cederkäll
• organization: Nuclear physics; Department of Physics
• course: FYSM30 20172
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: LEBT, low energy beam transport, ess, european spallation source, modelling, lebt application
• language: English
• id: 8935505
• date added to LUP: 2018-02-13 09:41:20
• date last changed: 2018-02-13 09:41:20