[論文レビュー] The behaviour of copper in view of radiation damage in the LHC luminosity upgrade

R. Flükiger, Tiziana Spina|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、光度アップグレードに伴うLHC四極磁石の銅安定化材における放射線誘発損傷を調査し、高エネルギー中性子、陽子、π中間子、電子、光子に注目する。FLUKAシミュレーションと文献データを用いて、陽子照射が中性子と比べて著しく高い損傷を引き起こすことが判明した。陽子は全損傷の約20％を占めるが、粒子フラックスのうち3.8％にとどまる。これにより、銅の残留抵抗率比（RRR）が50未満に低下すると予測され、安定性に脅威を及ぼし、保護のためのタングステンシールドの導入が不可欠となる。

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.

研究の動機と目的

• LHC四極磁石の銅安定化材が光度アップグレードに伴う予想される高エネルギー放射線環境下で示す放射線損傷応答を評価すること。
• 低温下における陽子、中性子、π中間子、電子、光子が銅に与える格子欠陥損傷への相対的寄与を評価すること。
• 放射線損傷によって引き起こされる銅の残留抵抗率比（RRR）の低下が、四極磁石の安定性および保護機能に悪影響を及えるかどうかを特定すること。
• 放射線損傷予測に基づき、四極磁石設計にタングステンシールドを導入する必要性を評価すること。

提案手法

• 高エネルギー粒子スペクトル（中性子、陽子、π中間子、電子、光子）のシミュレーションを、FLUKAモンテカルロコードを用いて実施し、アップグレード予想されるLHC環境を再現した。
• Mokhovのデータを用いて、各粒子種がもたらすdpa（原子あたりの格子不全数）寄与に基づき、銅における格子欠陥損傷を計算した。
• 中性子照射実験データ（Nakamotoら）を用い、10^21 n/cm²の線量で銅のRRP低下をモデル化した。
• 全粒子種からの寄与を合算し、主な寄与因子に注目して、全放射線損傷を推定した。
• RRP低下が電気的安定性およびクエンチ保護に与える影響を評価し、シールドの必要性を検討した。
• RRP低下の予測に基づき、タングステンシールドの導入を緩和策として提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC光度アップグレード条件下における銅安定化材に生じる格子欠陥損傷に、陽子、中性子、π中間子、電子、光子がそれぞれどの程度寄与するか？
• RQ2 陽子フラックスが3.8％にとどまるにもかかわらず、陽子による損傷が中性子と比較してどの程度顕著か？
• RQ3 放射線被曝によって銅の残留抵抗率比（RRP）はどの程度低下するか。また、その値が安定性のための臨界閾値を下回るか？
• RQ4 複数の放射線源が重畝する状況下で、銅のRRP低下がLHC四極磁石のクエンチ保護に悪影響を及えるか？
• RQ5 銅のRRPを安全運用水準以上に保つために、タングステンシールドの設置が不可欠であるか？

主な発見

• 陽子照射は、粒子フラックスが3.8％にとどまるにもかかわらず、銅における全格子欠陥損傷の約20％を占める。これは、陽子が非常に高い損傷効率を示すためである。
• Mokhovの計算によると、陽子、π中間子、電子による損傷は、中性子による損傷と同等以上に顕著である。
• Nakamotoらの実験データに基づき、中性子照射のみで10^21 n/cm²の線量で銅のRRPは200から50～120に低下する。
• 全高エネルギー放射線源を考慮した場合、銅の予測RRPは50を著しく下回り、電気的安定性が脅かされる。
• 本研究では、過度なRRP低下を防ぎ、LHC四極磁石の信頼性あるクエンチ保護を確保するため、タングステンシールドの導入が不可欠であると確認した。