[论文解读] Design and behaviour of the Large Hadron Collider external beam dumps capable of receiving 539 MJ/dump

Jorge Maestre, Claudio Torregrosa+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Superconducting Materials and Applications参考文献 44被引用 22

一句话总结

本文提出了大型强子对撞机（LHC）外部束流终止器的设计、分析与升级，其单束流能量吸收能力达539 MJ，解决了高强度束流冲击引起的动态振动与结构疲劳问题。通过蒙特卡洛束流相互作用模拟和先进的热-机械有限元分析，研究发现高频振动（超过200 g）是机械失效的根本原因，进而设计了新型支撑系统、束流窗口及抗辐射润滑系统，确保LHC运行3期及未来高亮度升级期间的安全运行。

ABSTRACT

Two 6-t beam dumps, made of a graphite core encapsulated in a stainless steel vessel, are used to absorb the energy of the two Large Hadron Collider (LHC) intense proton beams during operation of the accelerator. Operational issues started to appear in 2015 during LHC Run 2 (2014-2018) as a consequence of the progressive increase of the LHC beam kinetic energy, necessitating technical interventions in the highly radioactive areas around the dumps. Nitrogen gas leaks appeared after highly energetic beam impacts and instrumentation measurements indicated an initially unforeseen movement of the dumps. A computer modelling analysis campaign was launched to understand the origin of these issues, including both Monte Carlo simulations to model the proton beam interaction as well as advanced thermo-mechanical analyses. The main findings were that the amount of instantaneous energy deposited in the dump vessel leads to a strong dynamic response of the whole dump and high accelerations (above 2000g). Based on these findings, an upgraded design, including a new support system and beam windows, was implemented to ensure the dumps' compatibility with the more intense beams foreseen during LHC Run 3 (2022-2025) of 539 MJ per beam. In this paper an integral overview of the operational behaviour of the dumps and the upgraded configurations are discussed.

研究动机与目标

• 解决LHC运行2期期间束流终止器的运行故障，包括束流能量提升至320 MJ以上时发生的氮气泄漏和意外机械位移。
• 探究束流终止系统中结构与动态问题的根本原因，特别是束流窗口和支撑结构中的高频振动与疲劳。
• 设计并验证适用于LHC运行3期539 MJ束流能量的升级版终止系统，确保在高辐射环境下的长期可靠性。
• 开发先进的仪器与分析技术，以监测和预测极端热力与机械载荷下终止器的行为。
• 建立适用于未来高能束流终止器（如FCC、ILC或CLIC）的设计原则与分析方法。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟（如FLUKA）模拟质子束流与石墨及钢部件的相互作用及能量沉积。
• 通过考虑动态与准静态载荷的有限元分析（FEA），评估束流容器和束流窗口的热-机械响应。
• 将束流载荷作为时间相关的热力与机械输入集成至FEA模型中，模拟89 μs的束流冲击持续时间。
• 采用雨流计数法与损伤累积模型（Miner法则）对循环载荷下结构部件进行疲劳评估。
• 设计并测试了新型支撑系统，采用钢丝绳并配备双层润滑：Elaskon® SK-DL用于初始防腐保护，Lubrilog® LX AGFA 2用于抗辐射。
• 对脱脂及涂油的钢丝绳样品在2 Hz振动条件下进行加速疲劳测试，以模拟运行工况并验证安全裕度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在束流能量超过320 MJ时，原始LHC束流终止器中出现意外机械位移和氮气泄漏的根本原因是什么？
• RQ2 539 MJ质子束流冲击的瞬时能量沉积如何在终止器系统中引发动态振动？
• RQ3 束流窗口中的主要应力来源是直接束流冲击，还是来自束流容器的振动传递载荷？
• RQ4 在539 MJ束流冲击与15 MGy辐射暴露条件下，如何确保支撑系统与束流窗口的疲劳寿命？
• RQ5 何种润滑策略可确保钢丝绳在高温、高辐射环境下的长期性能？

主要发现

• 由于束流冲击引起的瞬时热膨胀，束流容器经历的动态加速度超过200 g，导致高频振动。
• 束流窗口中的应力主要由束流容器传递的振动引起，而非直接束流冲击，因此动态响应是主要设计关注点。
• 支撑系统的疲劳分析显示，在运行条件下即使完全丧失润滑，安全系数仍大于10。
• 对脱脂钢丝绳样品的加速疲劳测试确认其可承受224万次循环，有效破断力达413.7 kN，验证了设计寿命。
• 双层润滑策略——Elaskon® SK-DL用于初始保护，Lubrilog® LX AGFA 2用于抗辐射——被选定以在15 MGy辐射与100°C条件下减轻材料退化。
• 升级后安装的仪器成功记录了位移与振动数据，为未来HL-LHC（680 MJ/次）的分析与设计验证提供了支持。