[論文レビュー] The ILC positron target cooled by thermal radiation

Sabine Riemann, Felix Dietrich+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Muon and positron interactions and applications参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、水冷却を用いずに最大5 kWの平均電力損失を放射熱により放出するための、回転式Ti6Al4Vターゲットホイルを、ILC陽電子源用に提案している。250 GeVの中心系エネルギーでは、1パルスあたりの最大エネルギー損失密度は1.19 J/gに達するが、最適化された放射率と表面積（5 kWの場合0.9 m²）を用いた放射冷却により、熱を管理可能である。特に、熱応力を低減するための径方向の拡張スロットを設けることで、効果的な熱管理が可能となる。

ABSTRACT

The design of the conversion target for the undulator-based ILC positron source is still under development. One important issue is the cooling of the target. Here, the status of the design studies for cooling by thermal radiation is presented.

研究の動機と目的

• 水冷却システムを回避するため、熱放射をILC陽電子ターゲットの冷却法として実用的かどうかを評価すること。
• 高パルス電力損失下での回転ホイル構造におけるTi6Al4Vの適用可能性を評価すること。
• 250 GeVにおける最大1.19 J/gのピークエネルギー損失密度（PEDD）を放射冷却が管理可能かどうかを特定すること。
• 特にサイクル的パルス荷重下におけるターゲットホイルの機械的・熱的応力限界を調査すること。
• 最適な熱放出と構造的整合性を実現するための設計オプション（全盤型対比してセグメントリム＋フィン構造）を検討すること。

提案手法

• 2–5 kWの熱除去に必要な放射表面積を計算するため、ステファノ＝ボルツマンの法則（P = σ₀ε_eff A(T⁴ − T₀⁴)）を用いる。
• Ti6Al4Vの温度依存熱伝導率、比熱、放射率を組み込んだ有限要素法（FEM）シミュレーションを実施する。
• 環状応力式 σ_hoop = αEΔT を用いて熱応力を分析し、パルスビーム荷重によるサイクル応力を評価する。
• 固体ディスク型と高熱伝導性放射器にフィンを設けたセグメントリム型の2種類のホイル設計を比較する。
• 磁場シミュレーションと実験的テストを用いて、熱膨張に起因する渦電流および機械的不均衡の動的影響を評価する。
• ILC環境を模擬する14 MeV電子ビームを用いた材料被照射試験を実施し、構造的耐久性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水冷却を一切用いずに、熱放射のみで5 kWの平均電力損失を冷却できるか？
• RQ2 ターゲットが熱的・機械的限界を超えない範囲で耐えられる最大の1パルスあたりのピークエネルギー損失密度（PEDD）はどの程度か？
• RQ3 パルスビーム荷重下における回転式Ti6Al4Vターゲットホイルにおいて、径方向の拡張スロットが熱応力をどのように低減するか？
• RQ4 フラックスコンセンターまたはクォーターウェーブトランスフォーマーに近接することで、冷却効率やターゲット温度にどのような影響が生じるか？
• RQ5 Ti6Al4VがILC運用2年間の間、熱的・機械的・被照射負荷を同時に受けても耐久性を維持できるか？

主な発見

• 400°Cでε_eff = 0.5の条件下で5 kWの熱除去を行うには、0.90 m²の放射表面積が必要であり、フィン付き放射器や大型ホイル表面で実現可能である。
• 250 GeVではピークPEDDが1.19 J/gに達し、比較されたエネルギーの中で最大であり、主な熱的課題となる。
• 拡張スロットのない固体Ti6Al4Vディスクでは、ビーム入射部で最大等価応力が348 MPaに達し、サイクル荷重下では安全限界を超える。
• 径方向の拡張スロットは熱応力を低減し、局所的膨張を可能にすることで安全な運用を可能にするが、正確なビーム位相同期が必須である。
• 14 MeV電子ビームによる被照射試験の結果、Ti6Al4Vは700°C近辺の温度で6.6 × 10⁶サイクルに耐えられ、微小な結晶構造変化のみを示した。
• 近接する磁気部品（FCまたはQWT）に起因する渦電流は深刻な問題とはならず、放射経路の遮断により冷却効率がわずかに低下するのみである。