[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究调查了在亮度升级背景下，LHC四极磁体中铜稳定器在高能中子、质子、π介子、电子和光子共同作用下的辐射损伤。利用FLUKA模拟和文献数据，发现质子辐照造成的损伤远高于中子——尽管其占比仅为3.8%，却贡献了约20%的总位移损伤，导致铜的残余电阻率比（RRR）预测值低于50，威胁系统稳定性，因此必须采用钨屏蔽进行防护。

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.

研究动机与目标

• 评估在亮度升级预期的高能辐射环境下，LHC四极磁体中铜稳定器的辐射损伤响应。
• 评估质子、中子、π介子、电子和光子对低温下铜中位移损伤的相对贡献。
• 确定辐射损伤导致的铜残余电阻率比（RRR）降低是否会影响四极磁体的稳定性和保护性能。
• 基于辐射损伤预测，评估在四极磁体设计中采用钨屏蔽的必要性。

提出的方法

• 使用FLUKA蒙特卡洛代码模拟升级后LHC中预期的高能粒子谱（中子、质子、π介子、电子、光子），评估辐射损伤。
• 基于Mokhov提供的质子贡献数据，计算每种粒子类型对铜中位移损伤（dpa）的贡献。
• 利用Nakamoto等人提供的实验中子辐照数据，模拟在10^21 n/cm²辐照剂量下铜RRP的降低。
• 通过累加所有粒子类型的贡献，估算总辐射损伤，重点关注主要贡献者。
• 评估RRR退化对电稳定性及失超保护的影响，以确定是否需要屏蔽。
• 基于RRP降低的预测程度，提出采用钨屏蔽作为缓解策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC亮度升级条件下，质子、中子、π介子、电子和光子对铜稳定器中位移损伤的相对贡献如何？
• RQ2 考虑到质子占比仅为3.8%，其预测的位移损伤与中子相比如何？
• RQ3 辐射照射在多大程度上降低铜的残余电阻率比（RRP），是否低于稳定性的临界阈值？
• RQ4 多种辐射源共同作用导致的铜RRP退化，是否会危及LHC四极磁体的失超保护？
• RQ5 为维持铜RRP在安全运行水平以上，是否必须采用钨屏蔽？

主要发现

• 尽管质子在粒子通量中仅占3.8%，但由于其损伤效率高，其辐照对铜总位移损伤的贡献约为20%。
• 根据Mokhov的计算，质子、π介子和电子造成的总损伤至少与中子相当。
• 根据Nakamoto等人实验数据，仅中子辐照在10^21 n/cm²辐照剂量下，可使铜的RRP从200降至50–120。
• 当考虑所有高能辐射源时，预测铜的RRP将远低于50，危及电稳定性。
• 本研究证实，必须采用钨屏蔽以防止RRP过度退化，并确保LHC四极磁体的可靠失超保护。