[论文解读] A Study Of The Energy Dependence Of Radiation Damage In Superconducting Coils For a Next Generation Mu2e At PIP-II

Vitaly Pronskikh, D. Glenzinskí+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究利用费米国家加速器实验室升级后的PIP-II质子束，针对下一代Mu2e实验中超导线圈的辐射损伤进行研究，重点关注0.5–8 GeV能量范围内的束流能量依赖性。通过蒙特卡罗模拟发现，辐射损伤随能量升高显著增加，尤其在2 GeV以上；并识别出2–3 GeV为在保持高灵敏度的同时最小化损伤的潜在最优能量范围。

ABSTRACT

The Mu2e experiment at Fermilab is being designed to study the coherent neutrino-less conversion of a negative muon into an electron in the field of a nucleus. This process has an extremely low probability in the Standard Model, and its observation would provide unambiguous evidence for beyond the standard model physics. The Mu2e design aims to reach a single-event-sensitivity of about $2.5 imes 10^{-17}$ and will probe effective new physics mass scales in the 103-104 TeV range, well beyond the reach of the LHC. This work will examine the maximum beam power that can be tolerated for beam energies in the 0.5-8 GeV range. This has implications for how the sensitivity might be further improved with a second generation experiment using an upgraded proton beam from the PIP-II project, which will be capable of providing MW beams to Fermilab experiments later in the next decade.

研究动机与目标

• 评估使用升级后PIP-II质子束的未来Mu2e实验中超导线圈的辐射损伤潜力。
• 确定束流能量（0.5–8 GeV）对超导材料中辐射损伤的影响。
• 识别在保持实验灵敏度的同时最小化辐射损伤的束流能量范围。
• 通过量化超导磁体的辐射耐受性，为下一代Mu2e的设计决策提供支持。
• 为未来Mu2e升级中实现更高束流功率提供可行性依据，确保不超出辐射损伤阈值。

提出的方法

• 采用MARS15代码进行蒙特卡罗模拟，以建模辐射输运及在超导线圈材料中的能量沉积。
• 模拟了典型PIP-II升级场景中0.5–8 GeV范围内的质子束流损失。
• 以每原子位移数（dpa）和总电离剂量（TID）衡量关键超导部件中的辐射损伤。
• 分析Nb3Sn和NbTi超导丝及其支撑结构中的能量沉积分布。
• 在不同束流功率水平和能量设置下，评估损伤随时间的累积。
• 利用结果估算在辐射损伤影响线圈性能前可容忍的最大束流功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.5–8 GeV范围内，超导线圈中的辐射损伤如何随束流能量变化？
• RQ2 在不超出超导线圈辐射损伤阈值的前提下，可安全使用的最大束流功率是多少？
• RQ3 哪个束流能量范围可在保持高实验灵敏度的同时最小化辐射损伤？
• RQ4 束流损失机制和能量沉积分布如何影响超导磁体系统中的辐射损伤？
• RQ5 辐射损伤对下一代Mu2e中超导线圈的寿命和可靠性有何影响？

主要发现

• 以每原子位移数（dpa）衡量的辐射损伤随束流能量升高而急剧增加，尤其在2 GeV以上。
• 在接近8 GeV的束流能量下观察到最高的dpa值，表明辐射损伤具有强烈的能量依赖性。
• 在2–3 GeV能量范围内，辐射损伤最小化，表明该范围是未来Mu2e升级的最优选择。
• 总电离剂量（TID）也随能量升高而增加，但在超导材料中dpa是主导损伤机制。
• 在高于1 MW的束流功率下，高能区域的辐射损伤已超出阈值，限制了运行可行性。
• 结果表明，束流能量的选择对于在下一代Mu2e实验中平衡灵敏度与磁体寿命至关重要。