[論文レビュー] 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. Bahamonde+15 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Radiation Effects in Electronics参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CERNのHiRadMat施設において440 GeV/cの高強度陽子ビームを用い、LHCビームダンピングシステムのシナリオを再現することで、モリブデンおよび銅被膜を施した等方的グラファイト、CFC、SiC/SiC吸収材の性能を評価した。主な結果として、被膜は溶融（銅）または剥離（モリブデン）を示したが、基体は構造的に健全であり、ビーム衝突によるインピーダンスへの影響は軌道補正により管理可能であった。

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.

研究の動機と目的

• LHCに類似したビーム衝突条件下における被膜被覆吸収材の熱機械的および電磁的性能を評価すること。
• 高強度陽子放射線被曝後のグラファイト、CFC、SiC/SiC基体における材料劣化機構を同定すること。
• ビーム誘発表面損傷が加速器インピーダンスおよび運用安全性に与える影響を評価すること。
• ビーム衝突下における吸収材の熱的および機械的応答を予測する数値モデルの妥当性を検証すること。
• 次世代ビーム遮断装置（BIDs）の設計を支援し、信頼性を向上させるとともにインピーダンスを低減すること。

提案手法

• CERNのHiRadMat施設において、440 GeV/c陽子ビームを用いてモリブデンおよび銅被膜付標本にビーム衝突試験を実施した。
• 被膜および基体の損傷を分析するために、顕微鏡観察および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた照射後評価（PIE）を実施した。
• ビーム-物質相互作用、熱的応答、および基体内の熱応力の数値シミュレーションを実施した。
• S21散乱パラメータを用いたキャビティ摂動法により、被照射および非被照射表面のインピーダンス変化を測定した。
• 測定の正確性を確保するため、基準金属および清掃済みキャビティを用いてインピーダンス測定をキャリブレーションした。
• 実験結果とシミュレーション予測を照合することで、モデルの妥当性を検証し、破壊予測における保守的傾向を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 440 GeV/c陽子ビーム衝突下におけるモリブデンおよび銅被膜の溶融、剥離、接着性の挙動はいかがであったか？
• RQ2 高強度ビーム被曝後、グラファイト、CFC、SiC/SiC基体にどのような種類の構造的損傷が生じたか？
• RQ3 ビーム衝突が被膜被覆吸収材の表面抵抗率およびインピーダンスにどの程度の影響を与えたか？
• RQ4 数値シミュレーションは、ビーム衝突下における被膜被覆吸収材の熱的および機械的応答をどの程度正確に予測できたか？
• RQ5 軌道バンプやギャップ調整などの運用補正により、ビーム衝突誘発表面損傷を軽減できるか？

主な発見

• 銅被膜は、特に斜めおよび傾斜した衝突条件下でビーム衝突領域周辺に局所的溶融を示し、熱的シミュレーションの予測と整合的であった。
• グラファイト基体に被膜されたモリブデンは溶融を示さなかったが、スポット状の剥離を示し、これは剥離によるものと推定され、顕著な接着性損失は認められなかった。
• CFCに銅被膜を施した標本では、繊維の配向に沿った剥離と繊維間の微小な溶融が観察され、異方的損傷応答が示された。
• SiC/SiC基体では、深角および斜角衝突後にマトリックス剥離、表面に平行な繊維破壊、界面剥離が観察された。
• 照射後インピーダンス測定では、被照射モリブデンおよび銅被膜付グラファイト表面でS21散乱パラメータの歪みが確認され、表面抵抗率の変化が示唆された。
• 表面劣化が見られたが、軌道バンプやギャップ位置補正などの運用調整により、全体のインピーダンス性能は回復可能であった。