[論文レビュー] A Study Of The Energy Dependence Of Radiation Damage In Superconducting Coils For a Next Generation Mu2e At PIP-II

Vitaly Pronskikh, D. Glenzinskí+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、フェルミラブのアップグレード版PIP-II陽子ビームを用いた次世代Mu2e実験における超伝導コイルの放射線損傷を、ビームエネルギー依存性（0.5–8 GeV）に注目して調査している。モンテカルロシミュレーションを用いた結果、放射線損傷はエネルギーに伴い著しく増加し、特に2 GeV以上で顕著になる。また、損傷を最小限に抑える可能性がある最適なエネルギー範囲として2–3 GeVが特定された。

ABSTRACT

The Mu2e experiment at Fermilab is being designed to study the coherent neutrino-less conversion of a negative muon into an electron in the field of a nucleus. This process has an extremely low probability in the Standard Model, and its observation would provide unambiguous evidence for beyond the standard model physics. The Mu2e design aims to reach a single-event-sensitivity of about $2.5 imes 10^{-17}$ and will probe effective new physics mass scales in the 103-104 TeV range, well beyond the reach of the LHC. This work will examine the maximum beam power that can be tolerated for beam energies in the 0.5-8 GeV range. This has implications for how the sensitivity might be further improved with a second generation experiment using an upgraded proton beam from the PIP-II project, which will be capable of providing MW beams to Fermilab experiments later in the next decade.

研究の動機と目的

• アップグレード版PIP-II陽子ビームを用いた将来のMu2e実験における超伝導コイルの放射線損傷の可能性を評価すること。
• ビームエネルギー（0.5–8 GeV）が超伝導材料における放射線損傷に与える影響を特定すること。
• 放射線損傷を最小限に抑えつつ、実験感度を維持できるビームエネルギー範囲を同定すること。
• 次世代Mu2eの設計意思決定を支援するため、超伝導磁石の放射線耐性を定量的に評価すること。
• 将来のMu2eアップグレードで高いビーム出力を利用可能にする可能性を、放射線損傷のしきい値を超えない範囲で示すこと。

提案手法

• 放射線輸送とエネルギー損失をモデル化するために、MARS15コードを用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• PIP-IIアップグレードのシナリオに典型的な範囲（0.5–8 GeV）の陽子ビームエネルギーにおけるビーム損失をシミュレートした。
• 主要な超伝導部品における原子あたりの格子振動数（dpa）と総イオン化線量（TID）を用いて放射線損傷を算出した。
• Nb3SnおよびNbTi超伝導ストランドとその支持構造におけるエネルギー損失プロファイルを分析した。
• さまざまなビーム出力レベルとエネルギー設定下での時間経過に伴う損傷蓄積を評価した。
• 得られた結果を基に、コイル性能に悪影響を及ぼさない範囲での最大許容ビーム出力を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5–8 GeVの範囲におけるビームエネルギーに応じて、超伝導コイルの放射線損傷はどのように変化するか？
• RQ2 超伝導コイルにおける放射線損傷のしきい値を超えない範囲で、安全に使用可能な最大ビーム出力はどれくらいか？
• RQ3 放射線損傷を最小限に抑えつつ、Mu2eの実験感度を維持できるビームエネルギー範囲はどれか？
• RQ4 ビーム損失メカニズムとエネルギー損失プロファイルは、超伝導磁石系における放射線損傷にどのように影響するか？
• RQ5 放射線損傷は、次世代Mu2eにおける超伝導コイルの耐久性と信頼性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 原子あたりの格子振動数（dpa）で測定した放射線損傷は、ビームエネルギーの上昇に伴い急激に増加し、特に2 GeV以上で顕著である。
• dpaの最大値は8 GeV付近のビームエネルギーで観測され、放射線損傷のエネルギー依存性が強いことが示された。
• 2–3 GeVのエネルギー範囲では放射線損傷が最小限に抑えられ、将来のMu2eアップグレードにおける最適範囲であると考えられる。
• 総イオン化線量（TID）もエネルギーに伴い増加したが、超伝導材料ではdpaが主な損傷メカニズムであった。
• 1 MWを超えるビーム出力は、高エネルギー領域で放射線損傷のしきい値を超えることが判明し、運用の可能性に制限が生じた。
• 結果から、次世代Mu2e実験における感度と磁石の耐久性の両立を図るには、ビームエネルギーの選定が極めて重要であることが示された。