Development of a multiplexer system and measurement of the neutron yield for a low-energy accelerator-driven neutron source

Rimmler, Marius; Brückel, Thomas; Pretz, Jörg

doi:40883

Development of a multiplexer system and measurement of the neutron yield for a low-energy accelerator-driven neutron source

Rimmler, Marius

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Marius Rimmler

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Brückel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pretz, Jörg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-11262
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/836357/files/836357.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
accelerator (frei) ; multiplexer (frei) ; neutron source (frei) ; septum magnet (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das High-Brilliance Neutron Source (HBS) Projekt zielt darauf ab, eine niederenergetische beschleunigergetriebene Neutronenquelle zu entwickeln, die an den dazugehörigen Instrumenten Neutronenstrahlbrillanzen liefert, welche konkurrenzfähig mit deren bei Mittelflussreaktoren sind. Um eine hohe Strahlbrillanz bei HBS zu erreichen, werden die Neutroneninstrumente abhängig von ihrer jeweiligen Neutronenpulsstruktur an drei verschiedenen Targetstationen angeordnet. Die effiziente Erzeugung der jeweiligen Neutronenpulsstruktur wird mit einer Protonenpulsstruktur realisiert, die drei verschiedene Protonenstrahl-Timing-Schemata enthält, welche dann auf die einzelnen Targetstationen verteilt werden. Die Verteilung der verschiedenen Protonenpulssequenzen auf die Targetstationen erfolgt durch ein Protonenstrahl-Multiplexersystem, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wird. Ein Testaufbau dieses Multiplexersystems, das im Wesentlichen aus einem Kicker- und einem Septummagneten besteht, wird an der 45 MeV-Protonenbeschleunigeranlage JULIC der Forschungszentrum Jülich GmbH entwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Entwicklung eines neuartigen Septummagneten auf Permanentmagnetbasis, der drei unterschiedliche magnetische Feldbereiche in unmittelbarer Nähe aufweist. Der Designprozess eines solchen Septummagneten wird detailliert vorgestellt, zusammen mit der Analyse eines Prototyps auf Basis der entsprechenden Magnettechnologie. Weiterhin wird die Protonenpulsverteilung am Testaufbau demonstriert, wobei der Kickermagnet des Multiplexer-Testaufbaus mit dem Protonenstrahl-Chopper von JULIC synchronisiert wird. Die Integration des Multiplexersystems in die HBS Anlage wird ausführlich beschrieben einschließlich des Designs eines Septummagneten, der auf den Entwicklungen am JULIC basiert und für die größere Protonenstrahlenergie von 70 MeV bei HBS hochskaliert wurde. Im Zusammenhang mit dem HBS-Multiplexersystem wird die HBS High-Energy Beam Transport (HEBT) Beamline, in die das Multiplexersystem integriert werden soll, entworfen und dazugehörige strahldynamische Berechnungen werden durchgeführt. Die Auswirkung der Feldqualität des HBS-Septummagneten auf die Transmission durch die HEBT Beamline wird durch Particle-Tracking-Studien untersucht. Ein weiterer Beitrag zur Maximierung der Neutronenstrahlbrillanz bei HBS wird durch Messungen der Neutronenausbeute für verschiedene Targetmaterialien, die an niederenergetischen beschleunigergetriebenen Neutronenquellen anwendbar sind, im Protonenenergiebereich von 22 MeV bis 42 MeV erbracht. Das Messprinzip basiert auf der Analyse der 2.2 MeV Prompt-Gamma-Linie, die durch die Absorption von thermischen Neutronen durch Wasserstoff in einem Polyethylen-Moderator induziert wird. Die experimentellen Ergebnisse werden mit den aus numerischen Simulationen gewonnenen Ergebnissen verglichen und auf eine Protonenenergie von 70 MeV extrapoliert. Dies hilft bei der Auswahl jenes Targetmaterials bei HBS, welches die größte protonenenergieabhängige Neutronenausbeute und damit Neutronenstrahlbrillanz liefert.

The High-Brilliance neutron Source (HBS) project aims at developing a low-energy accelerator-driven neutron source facility providing neutron beam brilliances at the corresponding instruments, which are very competitive to medium-flux fission-based research reactors. To obtain a large beam brilliance at HBS, the full-fledged facility simultaneously operates different neutron instruments, which subdivide into three target stations, each efficiently operated to supply different neutron pulse structures. This will be realized by generating an interlaced proton pulse structure containing three different proton beam timing schemes, which are then distributed to the individual target stations. The distribution of the different proton pulse sequences to the target stations is performed by a proton beam multiplexer system which is developed in the frame of this thesis. A test setup of this multiplexer system, which primarily consists of a kicker and a septum magnet, is developed at the 45 MeV proton accelerator facility JULIC of Forschungszentrum Jülich GmbH. Here, the main focus is on the development of a new type of permanent-magnet-based septum magnet featuring three different magnetic dipole field regions in close proximity. The design process of such a septum magnet is presented in detail together with the analysis of a prototype based on the corresponding magnet technology. Furthermore, proton pulse distribution is demonstrated with the operation of the kicker magnet of the multiplexer test setup being synchronized to the proton beam chopper of JULIC. The integration of the multiplexer system at HBS is described thoroughly including the design of a septum magnet based on the developments at JULIC and scaled to serve the larger proton beam energy of 70 MeV. In the context of the HBS multiplexer system, the HBS High-Energy Beam Transport (HEBT) beamline is designed and associated beam-dynamics calculations are carried out. The effect of the field quality of the HBS septum magnet on the transmission through the HEBT is investigated by particle tracking studies. In addition, another contribution to the maximization of the neutron beam brilliance at HBS is made by measurements of the neutron yield for different target materials applicable at low-energy accelerator-driven neutron sources in the proton energy range of 22-42 MeV. The measurement technique is based on the analysis of the 2.2 MeV prompt gamma line induced by thermal neutron capture in the hydrogen nuclei of a polyethylene moderator. The experimental results are used to benchmark the results obtained from numerical simulations and extrapolated to 70 MeV, which helps selecting the appropriate target material at HBS providing the largest proton-energy-dependent neutron yield and thus neutron beam brilliance.

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