TU Darmstadt / ULB / TUprints

Carbon-Based Materials for High-Power Accelerator Components Exposed to Extreme Radiation Conditions

Simon, Pascal (2023)
Carbon-Based Materials for High-Power Accelerator Components Exposed to Extreme Radiation Conditions.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024606
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

[img] Text
20231013_Dissertation_PSimon.pdf
Copyright Information: CC BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution NonCommercial, NoDerivs.

Download (22MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Carbon-Based Materials for High-Power Accelerator Components Exposed to Extreme Radiation Conditions
Language: English
Referees: Toimil-Molares, Prof. Dr. Maria Eugenia ; Wilde, Prof. Dr. Gerhard
Date: 8 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 204 Seiten in verschiedenen Zählungen
Date of oral examination: 29 August 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024606
Abstract:

The increasing beam power of next-generation particle accelerator facilities demands specific functional materials that can withstand extreme operation conditions, especially when interacting directly with the beam. These conditions include large thermal loads and mechanical stresses that are induced by high-intensity/high-power particle beams, which also induce radiation damage. In comparison to electron and proton accelerators, radiation damage is a particularly severe issue at heavy ion accelerators like the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) under construction in Darmstadt. Carbon-based materials are commonly used in accelerator components. Graphite, for example, is employed in beam-intercepting devices like beam dumps and secondary particle production targets, while diamond is the active material in high-performance particle detectors. Both graphite and diamond are characterized by their large robustness towards radiation damage due to lower stopping power and lower activation in high-dose environments in comparison to metals. While structural radiation damage has been extensively studied in graphite and diamond, this thesis thus focuses (i) on the potential application of diamond-based composites for high-intensity heavy ion luminescence screens and (ii) on the effects of high-power single beam pulses on graphitic materials.

Diamond-based metal matrix composites, containing type Ib diamond powder, bulk monocrystalline type Ib and type IIa diamonds were irradiated with different swift heavy ions at the UNILAC accelerator of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, Darmstadt. On-line ionoluminescence spectroscopy was combined with in-situ UV/vis and infrared absorption spectroscopy to characterize the radiation-induced evolution of intrinsic and extrinsic defects within the diamond lattice. Radiation damage effects along the ion range were investigated with depth-resolved Raman and photoluminescence spectroscopy.

The ionoluminescence signal of diamond-based composite and type Ib diamond degraded rapidly under irradiation with swift heavy ions. UV/vis absorption spectroscopy showed no clear difference in the evolution of radiation-induced defects between type Ib and type IIa diamonds with increasing radiation fluence. While optical microscopy indicated severe loss of transmission in irradiated diamonds, significant increase of absorption occurred only at the highest ion fluences and is thus not contributing to the degradation of the ionoluminescence signal. Photoluminescence measurements along the ion trajectory reveal that color centers are produced predominantly in regions of high electronic energy loss. All color centers exhibit a non-linear trend with increasing radiation fluence that is attributed to a radiation-induced vacancy density threshold. In summary, the irradiation experiments performed on various diamond samples within this thesis indicate that diamond-based metal matrix composites have major drawbacks as a luminescence screen for high-intensity heavy ion beams.

To investigate the effects of high-power beam pulses, various graphitic materials were exposed to 440 GeV/c proton beams in a dedicated experiment at the High-Radiation to Materials (HiRadMat) facility at CERN. Such beams produce high local energy densities of a few kJ/g, which induce a dynamic response that is akin to a mechanical shock, which was monitored on-line via laser Doppler vibrometry.

Different polycrystalline graphite grades displayed a correlation between the mesostructure and damping of the beam-induced dynamic response. Smaller particle sizes and the absence of a binder phase decrease the damping of elastic pressure waves. Thermo-mechanical finite element simulations of the dynamic response of SGL R6650 polycrystalline graphite indicated a fully elastic material response up to the maximum beam intensity. Hence, these results demonstrate that this graphite grade can be safely used in the Superconducting Fragment Separator (Super-FRS) target at FAIR. A set of composite samples, that comprised tantalum cores embedded in different graphite shells, were used to create beam-induced stresses to potentially invoke failure in the graphite. The maximum surface velocity of the samples exhibited a non-linear trend with increasing beam-induced energy density within the tantalum cores, indicative of the onset of (local) failure within the graphite shells. The dynamic response of high-strength carbon-fiber reinforced graphite grades degraded more rapidly in comparison to lower strength material grades such as polycrystalline graphite or even low-density graphite foam. The broad overview of the beam-induced dynamic behavior presented within this thesis provides experimental validation of graphite grades for potential use in the FAIR accelerators and is a basis for the development of advanced material models for thermo-mechanical simulations of (anisotropic) graphite materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die stetig steigende Strahleistung moderner Teilchenbeschleuniger erfordert funktionale Materialien die unter extremsten Betriebsbedingungen standhalten, insbesonders bei der direkten Interaktion mit Partikelstrahlen. Dabei umfassen diese Bedingungen sowohl große thermische Lasten, mechanischen und thermischen Stress als auch Strahlenschäden, die allesamt durch intensive Hochleistungsstrahlen erzeugt werden. Im Vergleich zu Protonenbeschleuniger sind Strahlenschäden eine besonders große Herausforderung für Schwerionenbeschleuniger wie der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt. In verschiedensten Beschleunigerkomponenten finden sich dabei häufig kohlenstoffbasierte Materialien. Graphit wird z.B. in Beam Dumps oder Produktionstargets für Sekundärteilchenstrahlen verwendet, während in Teilchendetektoren Diamant als aktives Material eingesetzt wird. Graphit als auch Diamant besitzen aufgrund ihres niedrigen Bremsvermögen eine hohe Strahlenhärte gegenüber teilcheninduzierten Defekten, welche bereits umfangreich in beiden Materialien untersucht wurde. Ebenfalls von Vorteil in Hochdosisumgebungen ist der niedrige Aktivierungsquerschnitt von Graphit und Diamant im Vergleich zu Metallwerkstoffen. Diese Arbeit fokussiert sich zum einen auf die dynamischen Effekte hochintensiver Strahlpulse in Graphitwerkstoffen und zum anderen mit der möglichen Nutzung von Diamanten als Lumineszenschirm zur Strahldiagnose hochintensiver Schwerionenstrahlen.

Diamantbasierte Metal Matrix Komposite, produziert aus Typ Ib Diamantpulver, monokristalline Typ Ib und Typ IIa Diamanten wurden mit verschiedenen Schwerionen am UNILAC Beschleuniger des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt bestrahlt. Dabei wurde on-line Ionolumineszenz Spektroskopie mit in-situ UV/vis und Infrarot Absorptionsspektroskopie kombiniert, um die strahleninduzierte Änderung intrinsischer und extrinsischer Defekte im Diamantgitter zu charakterisieren. Strahleneffekte entlang der Eindringtiefe der Ionen wurden mit tiefenaufgelöster Raman und Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht.

Das Ionolumineszenzsignal von diamantbasierten Kompositen und Typ Ib Diamanten nimmt während der Bestrahlung mit Schwerionen bereits bei niedrigen Ionenfluenzen rapide ab. Die strahlinduzierten Entwicklung von Defekten, die mit UV/vis Absorptionsspektroskopie untersucht wurden, ist nur geringfügig unterschiedlichen zwischen Typ Ib und Typ IIa Diamanten. Optische Mikroskopie von bestrahlten Diamanten zeigt deren strahlinduzierte Verfärbung, welche mit einem Transmissionsverlust einhergeht. Ein signifikanter Anstieg der Absorption wurde jedoch erst bei höchsten Fluenzen observiert, der daher nicht signifikant zur Abnahme der Ionolumineszenz beiträgt. Tiefenaufgelöste Photolumineszenzspektren zeigen, dass Farbzentren überwiegend in Bereichen von hohem elektronischen Energieverlusts erzeugt werden. Dabei besitzen alle untersuchten Farbzentren einen nichtlinearen Trend mit steigender Ionenfluenz, der durch einen Grenzwert strahlinduzierter Vakanzen erklärt wird. Die auf verschiedenen Diamantproben durchgeführten Bestrahlungsexperimente dieser Thesis weisen darauf hin, dass diamantbasierte Metal Matrix Komposite große Nachteile als Lumineszenschirme für hochintensive Schwerionenstrahlen besitzen.

Um die Effekte einzelner Hochleistungsstrahlpule zu untersuchen wurden verschiedene Graphitwerkstoffe in einem dediziertem Experiment an der High-Radiation to Material Facility (HiRadMat) am CERN mit 440 GeV/c Protonenstrahlen bestrahlt. Die dabei erzeugten Energiedichten im Bereich mehrer kJ/g führen zu einer dynamischen Reaktion der bestrahlten Proben, die mit einem mechanischen Schock vergleichbar ist, und durch Laser Doppler Vibrometer on-line überwacht wurde.

Eine Korrelation zwischen Mesostruktur und Dämpfung der strahlinduzierten dynamischen Reaktion wurde in verschiedenen polykristallinen Graphiten observiert. Elastische Druckwellen werden von Materialien mit kleinerer Partikelgrößen weniger gedämpft, während eine zusätzliche Binderphase die Dämpfung erhöht. Thermomechanische Finite-Elemente-Simulationen von polykristallinem Graphit SGL R6650 zeigen eine elastische Materialreaktion bis hin zur maximalen Strahlintensität im Experiment. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass dieser Graphitwerkstoff daher sicher im Produktionstarget des Superconducting Fragment Separator (Super-FRS) von FAIR benutzt werden kann. Kompositproben, bestehend aus verschiedenen Graphithüllen mit eingepressten Tantalkernen, wurden benutzt um strahlinduzierte Spannungen zu erzeugen, die möglicherweise zum Versagen der Graphithülle führen. Die maximale Oberflächengeschwindigkeit dieser Proben zeigt eine nichtlineare Entwicklung mit steigender strahlinduzierter Energiedichte im Tantalkern, was auf das Einsetzen von (lokalem) Versagen der Graphithüllen zurückgeführt wird. Die dynamische Reaktion von hochfesten carbonfaserverstärktem Graphiten degradiert schneller im Vergleich zu weniger festen Materialien wie polykristallinem Graphit oder sogar niederdichtem Graphitschaum. Diese Arbeit zeigt eine breite Übersicht an Graphitwerkstoffen und deren strahlinduzierter dynamischer Reaktion und ist eine erste experimentelle Validation dieser Werkstoffe für eine mögliche Anwendung in der Beschleunigeranlage von FAIR und ist zum anderen eine Basis für die Entwicklung komplexer Materialmodelle für thermomechanische Simulationen von (anisotropen) Graphitmaterialien bei der Bestrahlung mit Hochleistungspulsen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-246067
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Ion-Beam-Modified Materials
Date Deposited: 08 Dec 2023 10:42
Last Modified: 15 Dec 2023 11:04
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24606
PPN: 51392860X
Export:
Actions (login required)
View Item View Item