[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种用于国际线性对撞机（ILC）正电子源的辐射冷却旋转Ti6Al4V靶轮，利用热辐射在无需水冷的情况下耗散高达5 kW的平均功率。在250 GeV质心系能量下，每脉冲的峰值能量沉积达到1.19 J/g，但通过优化发射率和表面积（5 kW下为0.9 m²），热辐射可有效管理热量，尤其在采用径向膨胀槽设计以降低热应力的情况下效果更佳。

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.

研究动机与目标

• 评估热辐射作为ILC正电子靶冷却方法的可行性，避免使用复杂的水冷系统。
• 评估在高脉冲功率沉积条件下，Ti6Al4V在旋转轮设计中的可行性。
• 确定热辐射是否能够管理250 GeV下高达1.19 J/g的峰值能量沉积密度（PEDD）。
• 研究靶轮在循环脉冲载荷下的机械与热应力极限，特别是热机械疲劳行为。
• 探索设计方案——整体盘式与带鳍片的分段轮缘——以实现最优散热性能与结构完整性。

提出的方法

• 使用斯特藩-玻尔兹曼定律（P = σ₀ε_eff A(T⁴ − T₀⁴)）计算在400°C下实现2–5 kW散热所需的辐射表面积。
• 采用有限元法（FEM）模拟，考虑Ti6Al4V的温度相关热导率、比热容和发射率。
• 利用环向应力公式 σ_hoop = αEΔT 分析热应力，并评估脉冲束流载荷引起的循环应力。
• 对比两种轮型设计：实心盘与连接高导热辐射器的分段轮缘（带鳍片）。
• 评估涡流与热膨胀引起的机械不平衡等动态效应，结合磁质模拟与实验测试。
• 通过14 MeV电子束照射进行材料辐照测试，以模拟ILC工况并评估结构耐久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 热辐射能否在无需水冷的情况下单独实现对ILC正电子靶5 kW平均功率沉积的冷却？
• RQ2 靶轮在不超出热或机械极限的前提下，所能承受的最大每脉冲峰值能量沉积（PEDD）是多少？
• RQ3 径向膨胀槽如何在脉冲束流载荷下降低旋转Ti6Al4V靶轮的热应力？
• RQ4 靠近通量集中器或四分之一波变压器对冷却效率和靶温有何影响？
• RQ5 Ti6Al4V能否承受ILC运行两年内预期的热、机械与辐照综合载荷？

主要发现

• 在400°C下，ε_eff = 0.5时，5 kW散热所需辐射表面积为0.90 m²，可通过带鳍片的辐射器或大尺寸轮面实现。
• 在250 GeV下，峰值PEDD达到1.19 J/g，为所研究能量中的最高值，构成主要热挑战。
• 无膨胀槽的实心Ti6Al4V盘在束流路径处最大等效应力达348 MPa，超过循环载荷下的安全限值。
• 径向膨胀槽可有效降低热应力，通过允许局部膨胀实现安全运行，但需精确的束流相位同步。
• 14 MeV电子辐照测试表明，Ti6Al4V在接近700°C的温度下可承受高达6.6 × 10⁶次循环，仅出现轻微晶粒结构变化。
• 附近磁性元件（FC或QWT）引起的涡流并非主要问题，但因辐射路径受阻，冷却效率略有下降。