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Radiation hardness of superconducting magnet insulation materials for FAIR

Seidl, Tim :
Radiation hardness of superconducting magnet insulation materials for FAIR.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Radiation hardness of superconducting magnet insulation materials for FAIR
Language: English
Abstract:

This thesis focuses on radiation degradation studies of polyimide, polyepoxy/glass-fiber composites and other technical components used, for example, in the superconducting magnets of new ion accelerators such as the planned International Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at the GSI Helmholtz Center of Heavy Ion Research (GSI) in Darmstadt. As accelerators are becoming more powerful, i.e., providing larger energies and beam intensities, the potential risk of radiation damage to the components increases. Reliable data of the radiation hardness of accelerator materials and components concerning electrical, thermal and other technical relevant properties are of great interest also for other facilities such as the Large Hadron Collider (LHC) of CERN. Dependent on the position of the different components, induced radiation due to beam losses consists of a cocktail of gammas, neutrons, protons, and heavier particles. Although the number of heavy fragments of the initial projectiles is small compared to neutrons, protons, or light fragments (e.g. α particles), their large energy deposition can induce extensive damage at rather low fluences (dose calculations show that the contribution of heavy ions to the total accumulated dose can reach 80 %). For this reason, defined radiation experiments were conducted using different energetic ion beams (from protons to uranium) and gamma radiation from a Co-60 source. The induced changes were analyzed by means of in-situ and ex-situ analytical methods, e.g. ultraviolet-visible and infrared spectroscopy, residual gas analysis, thermal gravimetric analysis, dielectric strength measurements, measurements of low temperature thermal properties, and performance tests. In all cases, the radiation induces a change in molecular structure as well as loss of functional material properties. The amount of radiation damage is found to be sensitive to the used type of ionizing radiation and the long term stability of the materials is discussed within the focus of its application.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Thema dieser Arbeit sind Bestrahlungsstudien an Polyimid, Polyepoxy/Glasfaser-Kompositen und anderen technischen Komponenten, die in supraleitenden Magneten neuer Teilchenbeschleunigern wie der geplanten International Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) am GSI Helmholtz Center of Heavy Ion Research (GSI) in Darmstadt ihren Einsatz finden. Durch den Zuwachs an Energie und Intensität von zukünftigen Teilchenbeschleunigern erhöht sich das potentielle Risiko von Strahlenschäden in diversen Beschleunigerkomponenten. Zuverlässige Daten über die Strahlenresistenz von Materialien und Komponenten hinsichtlich technisch relevanter Eigenschaften sind auch für andere Beschleunigerzentren wie z.B. den Large Hadron Collider (LHC) des CERNs von zentraler Bedeutung. Abhängig von der Position der verwendeten Bauteile induzieren Strahlverluste eine Strahlenbelastung bestehend aus einer Mischung von Gammas, Neutronen, Protonen, und schweren Partikeln. Die schweren Partikel induzieren extensiven Schaden bei relativ niedriger Fluenz, obwohl ihre Anzahl im Vergleich zu leichteren Partikeln klein ist (Dosisrechnungen zeigen, dass der Anteil der durch Sekundärstrahlung induzierten Dosis bis zu 80 % betragen kann). Aus diesem Grund wurden definierte Bestrahlungsexperimente mit energetischen Ionenstrahlen (von Protonen bis Uran) und Gammastrahlung aus einer Co-60 Quelle durchgeführt. Die Analyse der induzierten Materialänderungen erfolgte mittels verschiedener in-situ und ex-situ Methoden, wie UV/Vis- und Infrarotspektroskopie, Restgasanalyse, Thermogravimetrischer Analyse, Durchschlagsspannungs-Messungen, Messungen der thermischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen und Funktionstests. In allen Fällen führte die Bestrahlung zu einer Veränderung der molekularen Zusammensetzung und einem Verlust an funktionellen Eigenschaften, wobei die Stärke der induzierten Veränderungen sensitiv zur Art der ionisierenden Strahlung ist. Die erhaltenen Ergebnisse werden im Fokus zur Applikation diskutiert. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Radiation Hardness, Polyimide, G11, FAIR, Radiation damage, Radiolysis, Heavy Ion,
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 22 Apr 2013 08:47
Last Modified: 20 Jul 2016 09:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33590
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Trautmann, Prof. Dr. Christina
Refereed: 18 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3359
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