[논문 리뷰] The behaviour of copper in view of radiation damage in the LHC luminosity upgrade

R. Flükiger, Tiziana Spina|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 LHC 쿼드루폴의 coppe r스테이빌라이저에서 광도 업그레이드 기간 동안 방사선에 의한 손상을 조사한다. 고에너지 중성자, 프로톤, 파이온, 전자, 광자에 초점을 맞추며, FLUKA 시뮬레이션과 문헌 데이터를 사용하여 프로톤 조사가 중성자보다 훨씬 더 높은 손상을 유발하는 것으로 밝혀졌다. 프로톤은 전체 이격 손상의 약 20% 기여를 하였지만, 그 비율은 3.8%에 불과하여, 구리의 잔류 전기저항비(RRR)가 50 이하로 예측되며, 이는 안정성에 위협이 되고, 보호를 위해 wolfram shielding이 필요하다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

In view of the safe operation of the quadrupoles in the luminosity upgrade of the LHC accelerator, the response of the copper stabilizer at low temperatures to the various high energy radiation sources is of primary importance. The present study takes into account the expected high energy spectrum of the simultaneous radiation by neutrons, protons, pions, electrons and photons, calculated using the FLUKA code by F. Cerutti (CERN) as well as on literature values. It was found that proton irradiation causes a considerably higher damage than neutron irradiation: in spite of a 3.8% proton fraction, the measured damage is of the order of 20%, which fits with the calculations of N. Mokhov (Fermilab) on the contribution of protons to the dpa. The same calculations indicate that the total effect of protons, pions and electrons is at least as high as that of neutrons. Since recent neutron experiments of Nakamoto et al. show that the RRR of Cu is reduced from 200 to 50-120 for a fluence of 10^{21} n/cm^{2}, it follows that the inclusion of all high energy sources would lead to RRR values well below 50, thus endangering stability and protection. This result confirms the necessity of including a tungsten shield inside the quadrupoles.

연구 동기 및 목표

• LHC 쿼드루폴의 구리 스테이빌라이저가 광도 업그레이드로 인한 복합 고에너지 방사선 환경에서 어떻게 반응하는지 평가하기 위해.
• 저온에서 구리의 이격 손상에 기여하는 프로톤, 중성자, 파이온, 전자, 광자의 상대 기여도를 평가하기 위해.
• 방사선 손상으로 인한 구리의 잔류 전기저항비(RRR) 감소가 쿼드루폴 마그넷의 안정성과 보호 기능에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 방사선 손상 예측에 기반해 쿼드루폴 설계에 투명한 텅스텐 쉴드를 도입할 필요성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 입자 스펙트럼(중성자, 프로톤, 파이온, 전자, 광자)을 고려하여, 업그레이드된 LHC에서 예상되는 환경을 시뮬레이션하기 위해 FLUKA 몬테카를로 코드를 사용하여 방사선 손상을 평가하였다.
• 각 입자 종류의 기여도를 기반으로 구리의 이격 손상을 dpa(원자당 이격 수) 기반으로 계산하였으며, 프로톤 기여도에 대해서는 Mokhov의 데이터를 사용하였다.
• Nakamoto 등이 제공한 실험적 중성자 조사 데이터를 사용하여, 10^21 n/cm²의 조사량에서 구리의 RRR 감소를 모델링하였다.
• 모든 입자 종류의 기여도를 합산하여 총 방사선 손상을 추정하였으며, 주요 기여자에 중점을 두었다.
• RRR 열화가 전기적 안정성과 쿼드런트 보호에 미치는 영향을 평가하여, 쉴드 필요성을 판단하였다.
• RRR 감소 예측에 기반해 투명한 텅스텐 쉴드를 제안하는 보완 전략으로 제시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 광도 업그레이드 조건에서 구리 스테이빌라이저에 대한 프로톤, 중성자, 파이온, 전자, 광자의 이격 손상 기여도는 어떻게 상대적으로 분포되어 있는가?
• RQ2 프로톤 비율이 3.8%임을 감안할 때, 프로톤에 의한 예측 이격 손상이 중성자에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 방사선 노출로 인해 구리의 잔류 전기저항비(RRR)는 얼마나 감소하며, 이는 안정성에 영향을 주는 임계 기준 이하로 떨어지는가?
• RQ4 복합적인 방사선 원천으로 인한 RRR 열화가 LHC 쿼드루폴 마그넷의 쿼드런트 보호 기능에 영향을 미치는가?
• RQ5 안정적인 운영 수준을 유지하기 위해 투명한 텅스텐 쉴드를 포함시킬 필요가 있는가?

주요 결과

• 프로톤 조사는 전체 이격 손상의 약 20%를 기여하나, 입자 조사량 비율은 3.8%에 불과하여, 높은 손상 효율성 덕분이었다.
• Mokhov의 계산에 따르면, 프로톤, 파이온, 전자의 총 손상 기여는 중성자에 비해 적어도 동일한 수준이었다.
• Nakamoto 등에 의한 실험 데이터에 따르면, 중성자 조사만으로도 10^21 n/cm²의 조사량에서 구리의 RRR가 200에서 50~120으로 감소하였다.
• 모든 고에너지 방사선 원천을 고려할 경우, 예측된 구리의 RRR는 50 이하로 크게 낮아져 전기적 안정성에 위협이 되었다.
• 이 연구는 투명한 텅스텐 쉴드가 구리의 RRR 과도한 열화를 방지하고 LHC 쿼드루폴의 신뢰할 수 있는 쿼드런트 보호를 확보하기 위해 필수적임을 확인하였다.