超大发射度的高功率次级束流输运线研究

The investigation of the future accelerator neutrino experiments requires the high-power proton driver and high-transport-efficiency pion and muon beam lines. The muon-decay medium baseline neutrino experiment facility (MOMENT) requires the pion and muon beam lines which can transport the beam with super large transverse emittance and energy range from several MeV to hundreds MeV. In this fund, ones will focus on the pion and muon beam dynamitic mechanism in the superconducting solenoid lattice with large aperture and high magnetic field. In the condition of these beam characteristics, several key problems must be solved: 1) The method of abstracting the almost 5MW waste proton beam from the target region composed with high-magnetic-field solenoids. 2) The technologies of high-efficiency charge separation for the secondary beam. 3) The method to reduce the secondary beam transverse divergence. It helps to increase the neutrino flux at the far detector by reducing the secondary particle angle divergence. 4) The rigorous background requires to study the method to reducing the neutrino background. 5) Calculating the neutrino energy spectra fast and precisely. 6) With more than 500kW proton and neutron beam in pion decay channel, one must solve the shielding and control beam loss in this beam line.

未来加速器中微子实验研究需要高功率的质子驱动器和高传输效率的pion和muon输运线。中国提出的muon衰变的中能中微子实验装置（MOMENT）要求能够传输超大横向发射度、能量范围从几个MeV到几百MeV的pion和muon束流，本项目着重研究pion和muon束流在大孔径高磁场超导螺线管组成的磁聚焦结构内传输的动力学机制，在此束流特点下，并解决几个关键的问题：1）接近5MW高能废质子束从高场螺线管的靶区引出方法； 2）次级粒子混合束的正负粒子高效分离技术；3）缩减次级粒子束的横向角散度的方法，通过减少次级粒子的角散增加远点探测器处的中微子流强；4）严格的本底要求需要研究降低中微子本底的方法；5）快速准确地计算中微子能谱；6）超过500kW的质子和中子束流进入pion衰变通道内，需要解决次级束流线中的屏蔽和束损问题。

基于高能质子加速器驱动的中微子束流是研究中微子质量、CP破坏等重要问题的手段，未来加速器中微子实验研究需要高功率的质子驱动器和高传输效率的pion和muon输运线。中国提出的muon衰变的中能中微子实验装置（MOMENT）要求能够传输超大横向发射度、能量范围从几个MeV到几百MeV的pion和muon束流。同时，基于多学科研究的缪子源实验平台，也需要传输大发射的pion和缪子束流，与中微子用的缪子束有一些共性，束流发射度也很大，当前正在CSNS规划建设中国第一台实验缪子源装置也急需解决大发射次级束流传输和聚焦的难题。本项目着重研究了pion和缪子束流在大孔径高磁场超导螺线管组成的磁聚焦结构内传输的动力学机制，在此束流特点下，并解决几个关键的问题：1）接近5MW高能废质子束从高场螺线管的靶区引出方法； 2）次级粒子混合束的正负粒子高效分离技术；3）缩减次级粒子束的横向角散度的方法，通过减少次级粒子的角散增加远点探测器处的中微子流强；4）严格的本底要求研究降低中微子本底的方法；5）快速准确地计算中微子能谱；6）处理大功率次级粒子的在束线上的束损问题。项目组成员在本项目研究中解决了高能质子束从靶区螺线管引出的方法，为解决靶区大能量沉积问题提出了解决方案；使用附加By场的弯曲螺线管束线成功分离正负粒子，并且通过优化设计找到40度优化角度，降低中微子本底；同时利用理论公式开发了快速计算中微子能谱的方法，为反复的迭代优化方案提供重要条件；提出了使用冷却屏蔽体和增强入口螺线管磁场控制大功率次级粒子束损的方法；在解决的关键难题基础上，完成MOMENT的次级束线物理设计方案和CSNS实验缪子源的次级束线的物理方案，为MOMENT和实验缪子源工程建设提供直接的理论依据。总结研究成果，发表署名基金论文8篇，在申请专利三项，邀请国内外学者4人次。组织项目成员参加国际会议及访问，介绍研究情况。