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EUROnu Super Beams Design Study (2008-2012)

(english version)

One of the future options to produce high intensity neutrino beams has been investigated in the framework of the EUROnu Collaboration[1]. These facility considers a 130 km baseline between the neutrino source located at CERN and the LSM (Laboratoire Souterrain de Modane) where the MEMPHYS Cherenkov detector will be installed with a fiducial mass of 0.5 MegaTons. The source will use a primary proton beam with 4-5 GeV and a power of several MegaWatts. The technological challenge will be to build a target station able to work under theses extreme conditions.

Neutrino beam production

This superbeam will benefit for the CERN developments made for the SPL (Superconducting Proton Linac)[2]. The proton beam at the end of the accumulator will have an energy range between 4-5 GeV with 4MW beam power running at 50 Hz frequency.

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Superbeam

In order to minimise the power dissipation and limiting the radiation damages, the proton beam will be shared over four independent targets with 1MW for each target running at 12.5 Hz frequency. The secondary particle due the interaction inside the target will be focused by four magnetic horns in the tunnel producing the neutrino by decay in flight.

Beam Switchyard

A beam switchyard will distribute the protons onto the 4-targets horn system. It consists of a pair of dipoles, 4 compensating dipoles and 12 quadrupoles to route and focus the beam onto the targets at a repetition rate of 50 Hz (12.5 Hz per beam line). The length of this switchyard system is estimated to be 29.9 m [4].

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Beam switchyard


Target Station

The four horn system is foreseen to work with a high intensity (350 kA) pulsed current at 12.5 Hz frequency. A 20 kW power will be dissipated by the structure. In case of one horn is damage, the beam will be shared over the others. Hence, each horn has to work under a 1.3 MW beam power.

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4-targets horn system

Target

The target contains titanium spheres in a cylinder with holes. A jet of Helium at a 10 bar pressure will circulate permanently inside allowing to cool the target. This geometry allows to increase the surface with the gas and minimize the mechanical constraints due to the impact of the protons inside the target.

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Packed bed target

Magnetic horn

The body of the horn is made of aluminium alloy Al 6061 T6 which offers a good compromise between mechanical stress, good resistance to corrosion and good electrical conductivity. The wall thickness has to be as thin as possible to ensure optimal physics performances and to limit the energy deposition inside from the secondary particles escaping the target. The mechanical constraints, due to magnetic pressure has been calculated with a finite element based model. The lifetime of the horn reaches a maximum for a stress less than 30 MPa and an uniform temperature of 60°C. In order to maintain a constant temperature of the horns, water jets around their body are foreseen. The water flow inside each horn will be 60 to 120 l/min.

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Single horn

Power Station

The current is supplied to the horn thanks to an electrical transmission lines 33 m long and eight aluminium conductors with a rectangular section 60 cm x 2 cm. These geometrical dimensions have been calculated in order to reduce the resistivity and the inductance. The power station will be located in a special room 180m2 which will be able to support a specific weight of 1 ton/m2. The electrical consumption of 1.3 MW with a total dissipated power of 243 kW by water cooling and 280 kW by air.

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Power supply unit


Building

The building concept will include the target station consisting of the four magnetic horns equipped with their target. The decay tunnel length reach 25 m. A special hot cell able to manipulate highly radioactive material is foreseen for repairing or replacement of horn with a specific equipment.

(version française)

L’une des options pour produire un faisceau de neutrinos de haute intensité a été envisagée dans le cadre de la collaboration EUROnu[1]. Cette étude conceptuelle considère une distance de 130 km entre la source de neutrinos située CERN et le Laboratoire Souterrain de Modane (Tunnel du Fréjus) dans lequel sera installé le détecteur Cherenkov MEMPHYS ayant une masse fiducielle de l’ordre de 0.5 Méga-tonnes. La source utilisera un faisceau primaire de protons d’une énergie 4-5 GeV et d’une puissance de plusieurs méga-watts. Le challenge technologique consiste donc à élaborer une station cible pouvant fonctionner à ces conditions extrêmes.

Production du super faisceau de neutrinos

Ce super faisceaux bénéficiera des développements du CERN concernant le projet SPL (Superconducting Proton Linac)[2]. Le faisceau de protons à la sortie de l’accumulateur aura une énergie de 4-5 GeV d’une puissance de 4 MW avec une fréquence de 50 Hz.

Afin de minimiser la dissipation de la puissance et de limiter les problèmes dus aux radiations, le faisceau de protons sera distribué sur quatre cibles indépendantes recevant ainsi une puissance de 1 MW à une fréquence de 12.5 Hz. Les particules secondaires issues de l’interaction seront focalisées par les quatre cornes magnétiques dans le tunnel pour produire par décroissance les neutrinos.

distributeur de faisceaux

Un distributeur de faisceaux déviera et focalisera les protons sur chaque corne à une fréquence de 50 Hz. Il sera composé d’une paire de dipôles, de 4 dipôles de compensation angulaire et de 12 quadripôles. La longueur d’un tel système devrait être de 29,9 m [4].

Station Cible

Pour le système de quatre cornes magnétiques, un courant de 350 kA pulsé à une fréquence de 12,5 Hz. Une puissance de 20 kW est dissipée de manière résistive dans la structure. En cas de problème sur l’une des quatre cornes de la structure, le faisceau est distribué sur les trois autres. Chaque corne doit alors pouvoir supporter une puissance de faisceau de 1,3 MW.

Cible

La cible est constituée de billes de titane contenues dans une chemise cylindrique poreuse. Un jet d’hélium à une pression de 10 bars circule en permanence à l’intérieur assurant ainsi le refroidissement. Cette géométrie permet d’augmenter la surface de contact avec le gaz, et de minimiser les contraintes mécaniques dues à l’impact des protons dans la cible.

Corne Magnétique

Le corps de la corne magnétique est un alliage d’Aluminium Al 6061 T6 qui offre un bon compromis entre le stress mécanique, la résistance à la corrosion et la conductivité électrique. La paroi de la corne magnétique doit être aussi fine que possible pour avoir des performances physiques optimales et limiter le dépôt d’énergie à l’intérieur par le particules secondaires issue de la cible. Les contraintes mécaniques, les déformations dues à la pression magnétique ont été modélisés par éléments finis. La durée de vie de la corne est maximale pour un stress inférieur à 30 MPa avec une température uniforme de 60 °C.
Afin de maintenir constante la température de la corne, des jets d’eau disposés autour de la corne sont prévus. Le débit d’eau estimé en fonctionnement sera de 60 à 120 l/min à l’intérieur de chaque corne magnétique.

Alimentation électrique

Le courant est transmis à chaque corne par une ligne de transmission de 33 m grâce à huit conducteurs en aluminium ayant une section rectangulaire de 60 cm x 2 cm. Ces dimensions ont été calculées de façon à réduire la résistivité et l’inductance. L’installation électrique de puissance sera placée dans une salle de 180m2 pouvant résister à un poids spécifique de 1 tonne/m2. La consommation électrique de 1,3 MW avec une puissance totale dissipée de 243 kW (thyristors de décharge, bobines, chargeurs) par refroidissement hydraulique et 280 kW (capacité, ligne de transmission) par air.

Infrastructure - Batiment

La conception du batiment incluera la station cible contenant la structure comprenant les quatre cornes magnétiques munies chacune de leur cible. Le tunnel de décroissance aura une longueur de 25 m. Une cellule spéciale est prévue afin de pouvoir manipuler et remplacer les matériaux radioactifs de la structure avec un équipement prévu à cet effet.

References:
[1] EUROnu WP2 Website
[2] Conceptual design of the SPL II : A high-power superconducting H− linac at CERN : CERN-2006-006
[3] The SPL Neutrino Super Beam arXiv:1212.0732
[4] Preliminary Design of a 4 MW Proton Beam Switchyard for a Neutrino Super Beam Production Facility, E. Bouquerel et al., Conference: C13-05-12, TUPWO004, IPAC2013 Proceedings, 2013.