CEPC 直线束流垃圾桶初步设计

CEPC直线束流垃圾桶初步设计20xx.9.22主要内容工作背景环形正负电子对撞机（CEPC）简介CEPC结构和束流参数工作介绍模拟思路结构介绍材料选择结果简释下一步工作计划参考文献2环形正负电子对撞机简介环形正负电子对撞机(CellularElectron-PositronCollider,简称CEPC)是由中国科学院高能物理研究所牵头提出、中国科学技术大学等诸多单位参与研究设计的未来超大型环形电子对撞机，旨在研究希格斯粒子及相关的物理问题，寻找新物理在未来的突破口。CEPC当前设计方案为束流能量120GeV（环内），周长50/100千米。未来将升级为SppC。3CEPC的结构及参数简言之，CEPC由直线加速器、Booster和储存环组成4束流垃圾桶的作用及布局CEPC是高能电子加速器，因而除常规辐射屏蔽之外，还需考虑废弃束流的处理，即束流垃圾桶的设计束流垃圾桶通常放置在加速器的专门区域，用于调束过程中的废弃处理，或者紧急状况时对束流的紧急阻止束流垃圾桶在吸收废弃高能电子束流时，会产生比较大剂量的辐射，因此需针对束流垃圾桶考虑辐射屏蔽问题5调研结果6加速器名称粒子类型粒子能量损失功率垃圾桶形状垃圾桶核心材质垃圾桶核心尺寸SLAC2-MileLINAC电子11–25GeV2.2MW(ave)圆柱体水/铜直径173.31cm长度449.86cmILC电子500GeV18MW(ave)/4.5GW(peak)圆柱体水内径1.8m长度11

mBEPCII-Linac电子1.89GeV378W圆柱体铸铁直径40cm长度50cmCSNS质子1.6GeV7.5kW矩形体铁LHC-SPS质子120GeV6300GW圆柱体石墨/铝/铁直径60cm700cm石墨100cm铝100cm铁调研结论依照功率不同，核心组件材料选择顺序依次为金属（合金）——石墨——水原因主要为热量考虑7任务目标8Dump本报告针对直线部分的束流垃圾桶进行初步设计由易到难，熟悉设计流程寻找一种CEPC垃圾桶设计中通用的方法和标准以参考设计参数9束流能量6

GeV标称电荷量3.2nC重复频率50Hz全损粒子数1e12/s束流流强160nA束损功率960W直线束流垃圾桶设计参数设计流程10分析辐射源项物理分析经验推导模拟计算设计主体结构结合工程实际对比优化选择选择屏蔽材料结合工程实际对比优化选择设计方法分析源项，明确需求考虑功率，框定材料理论计算，粗估下限依据材料，暂定结构模拟计算，评估剂量温度分析，确保安全结合经验，对比验证反复优化，确定方案11分析源项，明确需求

12考虑功率，框定材料根据调研，靶芯材料选择主要考量因素为束流功率CEPCLinac功率为960W考虑采用铜、铁、铝、石墨作为靶芯材料13理论计算，粗估下限设计经验和理论计算表明，有效的垃圾桶靶芯部分（DumpCore），至少应在横/纵两向均沉积99%以上的初始粒子能量14理论计算，粗估下限对于选定材料15材料L99R99铜28cm8cm铁29cm8cm铝110cm20cm石墨241cm24cm依据材料，暂定结构都是固体材料，所以采用常规思路长方体/圆柱体综合模拟16依据材料，暂定结构都是固体材料，所以采用常规思路长方体/圆柱体综合模拟17材料纵向最大功率沉积最大温升铜114W/cm453K铁98W/cm389K铝20W/cm79K石墨8W/cm32K主要选择铜、铁材料进行设计模拟计算，评估剂量选择铜、铁两种材料建立圆柱体模型两种结构计算靶芯R130cm，Z195cm，无混凝土屏蔽靶芯R10cm，Z30cm，各向附加1m混凝土屏蔽利用FLUKA2011.2c.464bit，设定条件，计算50万个粒子（基于时间考量）18模拟计算，评估剂量19铜R:0-130cm模拟计算，评估剂量20铁R:0-130cm模拟计算，评估剂量21铜铜：R:0-10cm混凝土：R：10-110cm模拟计算，评估剂量22铁铜：R:0-10cm混凝土：R：10-110cm模拟计算，评估剂量23铜铜：Z：0-30cm混凝土：Z：-100-0，30-130cm模拟计算，评估剂量24铁铜：Z：0-30cm混凝土：Z：-100-0，30-130cm模拟计算，评估剂量

25温度分析，确保安全靶芯材料公式温升分析，无碍，可长时稳定运行界面材料能量沉积带来的温升，同样通过理论粗估，证明无碍但详细的温度稳定性需使用ANSYS等有限元软件进一步分析，以确保方案安全可靠26结合经验，对比验证分析剂量组分贡献，同最初源项分析结果对比利用FLUKA的AUXSCORE卡，记录R=60cm处剂量组分贡献27粒子类型剂量率(mSv/h)剂量率百分比中子0.6526.7%光子1.6668.0%总计2.44100%反复优化，确定方案优化计算方式更进一步确认曲线波动的来源，减少方差同经验公式结果对比除了剂量统计之外，进行能谱统计详细了解里面的物理过程和物理机制，同公式互相验证详细分析各种次级粒子的产额等问题为未来设计储存环环节的垃圾桶打基础工程优化28参考文献徐玉海,夏晓彬,王光宏,徐加强.基于束流线源模型自由电子激光器主体墙的屏蔽设计[J].《核技术》，2014，第37卷第6期，060101-1-060101-5.吴青彪.中国散裂中子源束流垃圾桶屏蔽设计与分析:[学位论文](D).北京：中国科学院研究生院，2007Maslov,MichailA.,MichaelSchmitz,andVladimirSyčev.

LayoutConsiderationsonthe25GEV,300KWBeamDumpoftheXFELProject.No.DESY-TESLA-FEL-2006-05.Dt.Elektronen-SychrotronDESY,MHF-SL