[논문 리뷰] High intensity proton beam impact at 440 GeV/c on Mo and Cu coated CfC/graphite and SiC/SiC absorbers for beam intercepting devices

Jorge Maestre, C. Bahamonde외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 09.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 27인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CERN의 HiRadMat 시설에서 440 GeV/c 고강도 프로톤 비틀림을 이용해 LHC 빔 덤프 시스템 조건을 시뮬레이션하면서 Mo 및 Cu 코팅된 이소스태틱 고연, CFC, SiC/SiC 흡수재의 성능을 평가한다. 주요 결과로는 코팅이 녹는(Cu) 또는 탈락하는(Mo) 현상이 관찰되었지만 기초재는 구조적으로 그대로 유지되었으며, 궤도 보정을 통해 빔 영향으로 인한 임피던스 변화는 관리 가능한 수준이었다.

ABSTRACT

Beam Intercepting Devices (BIDs) are essential protection elements for the operation of the Large Hadron Collider (LHC) complex. The LHC internal beam dump (LHC Target Dump Injection or LHC TDI) is the main protection BID of the LHC injection system; its main function is to protect LHC equipment in the event of a malfunction of the injection kicker magnets during beam transfer from the SPS to the LHC. Several issues with the TDI were encountered during LHC operation, most of them due to outgassing from its core components induced by electron cloud effects, which led to limitations of the injector intensity and hence had an impact on LHC availability. The absorbing cores of the TDIs, and of beam intercepting devices in general, need to deal with high thermo-mechanical loads induced by the high intensity particle beams. In addition, devices such as the TDI - where the absorbing materials are installed close to the beam, are important contributors to the accelerator impedance budget. To reduce impedance, the absorbing materials that make up the core must be typically coated with high electrical conductivity metals. Beam impact testing of the coated absorbers is a crucial element of development work to ensure their correct operation. The behaviour of several metal-coated absorber materials was investigated when exposed to high intensity and high energy proton beams in the HiRadMat facility at CERN. Different coating configurations based on copper and molybdenum, and absorbing materials such as isostatic graphite, Carbon Fibre Composite (CfC) and Silicon Carbide reinforced with Silicon Carbide fibres (SiC-SiC), were tested in the facility to assess the TDI's performance and to extract information for other BIDs using these materials. In addition to beam impact tests and an extensive Post Irradiation Examination (PIE) campaign, extensive numerical simulations were carried out.

연구 동기 및 목표

• LHC 유사 빔 충격 조건에서 코팅된 빔 흡수재의 열기계적 및 전자기적 성능을 평가하기 위해.
• 고강도 프로톤 노출 후 고연, CFC, SiC/SiC 기초재에서의 재료 열화 메커니즘을 규명하기 위해.
• 빔 유도 표면 손상이 가속기 임피던스 및 운영 안전성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 빔 충격 하에서 흡수재의 열적 및 기계적 반응을 예측하는 수치 모델을 검증하기 위해.
• 향후 세대 빔 절단 장치(BIDs)의 신뢰성 향상 및 임피던스 감소를 지원하기 위해.

제안 방법

• Mo 및 Cu 코팅된 표적에 대해 CERN의 HiRadMat 시설에서 440 GeV/c 프로톤 비틀림을 이용한 빔 충격 시험을 실시하였다.
• 코팅 및 기초재 손상 분석을 위해 후조사 분석(PIE)을 수행하였으며, 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 활용하였다.
• 빔-물질 상호작용, 열 반응, 기초재 내 열기계적 응력에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비손상 표면 및 손상 표면에서 S21 산란 파rameters를 이용한 캐비티 간섭 측정 기법을 통해 임피던스 변화를 측정하였다.
• 정확도를 확보하기 위해 기준 금속 및 청소된 캐비티를 사용해 임피던스 측정을 校정하였다.
• 실험 결과를 시뮬레이션 예측과 연계하여 모델의 타당성을 검증하고 고장 예측의 보수성 수준을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mo 및 Cu 코팅은 440 GeV/c 프로톤 비틀림에 대해 녹는, 탈락하는, 부착력 손실이 발생하는 정도로 어떻게 성능을 보였는가?
• RQ2 고강도 빔 노출 후 고연, CFC, SiC/SiC 기초재에서 발생하는 구조적 손상 유형은 무엇인가?
• RQ3 빔 충격이 코팅된 흡수재의 표면 저항율 및 임피던스에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 수치 시뮬레이션은 빔 충격 하에서 코팅된 흡수재의 열적 및 기계적 반응을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ5 궤도 빕프 또는 잰 조정과 같은 운영 보정을 통해 빔 충격에 의한 표면 손상을 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 동 코팅은 빔 충격 영역 주변에서 국소적으로 녹는 현상이 관찰되었으며, 특히 경사진 및 기울인 충격 조건에서 두드러졌다. 이는 열 시뮬레이션 예측과 일치하였다.
• 고연 기초재에 코팅된 몰리브덴은 녹는 현상이 없었지만, 점 형태의 탈락이 관찰되었으며, 이는 탈락에 기인한 것으로 보이며 부착력 손실은 미미하였다.
• CFC 표적에 코팅된 동은 섬유 패턴에 따라 정렬된 탈락과 섬유 간의 경미한 녹는 현상을 보였으며, 이는 이방성 손상 반응을 나타내었다.
• SiC/SiC 기초재는 깊은 충격 및 경사진 충격 후 기질 탈락, 표면에 평행한 섬유 파손, 인터페이스 탈착 등의 표면 손상이 관찰되었다.
• 후조사 임피던스 측정 결과, Mo 및 Cu 코팅된 고연 표면에서 S21 산란 파rameters의 왜곡이 발생하여 표면 저항율 변화가 확인되었다.
• 표면 열화에도 불구하고 궤도 빕프 또는 잰 위치 보정과 같은 운영 조정을 통해 전체 임피던스 성능을 복원할 수 있었다.