Studio degli effetti del campo di radiazione sulle connessioni superconduttive per il progetto HiLumi LHC

The present work was conducted at the LASA (Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata), laboratory of Milan section of the INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) in the frame of the European project High Luminosity LHC. Hi-Lumi LHC is a project aimed to increase the Large Hadron Collider luminosity by a factor 10, compared to the old design value by 2020. The increase in the number of proton-proton events will allow more accurate measurements of fundamental particles and the observation of rare processes that occur below the present machine sensitivity level. Upgrading LHC will be a real challenge that will be based on a series of technological innovations never experienced. Among them there will be the introduction of special superconducting links necessary to connect the generators, moved to the surface, with the quadrupoles and the dipoles acts focusing and deflecting the beam inside the line. This work focuses on the study of these superconducting links and in particular we wanted to understand the degradation over the lifetime of the machine (the equivalent of 3000 fb-1). The first three chapters of this thesis give a theoretical overview of the problems. The first is a glimpse of what is and has been the LHC, on how it will evolve in HL-LHC and the role that superconducting links will have for this machine. The second chapter starts with an intro to superconductivity, with a particoular attenction to type II superconductors. Then a brief description of some superconducting materials (BSCCO, YBCO and MgB2) and manufacturing methods of superconducting cables. The third chapter explains the nature of the quantities used in the analysis of the cable's degradation: the energy deposition and the Displacement Per Atom (DPA). The last three chapters reported results and analysis of a series of simulations carried out with the FLUKA code, a fully integrated particle physics MonteCarlo simulation package. In the fourth chapter there are the simulations of superconducting materials irradiated with proton and pion beams (on YBCO) and neutron beams with fast, epithermal and thermal neutrons (on MgB2). Irradiation simulations on YBCO with pions+ and pions- show the different interaction mechanism of the two type of particles with matter. The starting point for simulations of neutron irradiation on the MgB2 sample has come from discussions with Professor Michael Eisterer, researcher at the TU Wien Atominstitut, during the Workshop on Radiation Effects in Superconducting Magnets and Materials 2014 held at the Wroclaw University of Technology. The simulations were carried out as confirmation of the experimental results obtained in Vienna after neutron irradiation on MgB2 samples. Starting from these simulations, we took a short study on the dpa nature in magnesium diboride. The fifth chapter is dedicated to the research of the final superconducting link configuration. It was decided to consider one of the most critical points of the links within Interaction Reagion 1, the first quadrupole region (the quadrupole closer to Interaction Point 1), and perform simulations to compare and choose the better material and the optimum geometry for the cable's simulation. In the sixth and final chapter, considering the final link layout in Point 1, we have identified the two most critical points: the region around the first quadrupole (the closest to the interaction point of ATLAS) and the Connection Module region (where the link will be connected to the superconducting cables of the magnets, passing very close to the beam pipe). Simulations of this layout have been carried out in collaboration with the team FLUKA at CERN.

Il presente lavoro di tesi è stato condotto presso il LASA (Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata) della sezione di Milano dell' INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) nell'ambito del progetto europeo High Luminosity LHC. HiLumi LHC è un progetto volto all'incremento della luminosità del Large Hadron Collider di un fattore 10 rispetto al valore di progetto entro il 2020. L'aumento del numero di eventi protone-protone permetterà misure più accurate e l'osservazione di processi rari che avvengono al di sotto del presente livello di sensibilità della macchina. L'implemento di LHC sarà una vera e propria sfida che si baserà su una serie di innovazioni tecnologiche mai sperimentate. Tra queste ci sarà l'introduzione di speciali connessioni superconduttive tra gli alimentatori, spostati in superficie, e i quadrupoli e i dipoli atti alla focalizzazione e alla deflessione del fascio all'interno della linea di fascio. Questo lavoro è incentrato sullo studio di tali connessioni superconduttive e in particolare si è voluto comprendere se e in che misura il degrado che subiranno nel corso della vita della macchina (l'equivalente di 3000 fb-1) sarà tale da comprometterne l'affidabilità. I primi tre capitoli di questa tesi hanno la funzione di dare un'impronta teorica iniziale, utile per la comprensione del lavoro svolto. Il primo è dedicato ad uno scorcio su quello che è ed è stato LHC, su come si evolverà in HL-LHC e sul ruolo che le connessioni superconduttive avranno all'interno dell'acceleratore. Il secondo capitolo parte con qualche cenno sulla superconduttività, con un occhio di riguardo ai superconduttori di tipo II, per poi passare ad una breve descrizione dei materiali di interesse per il lavoro (BSCCO, YBCO e MgB2) e dei metodi di fabbricazione dei cavi superconduttori. Nel terzo capitolo si spiega brevemente la natura delle grandezze utilizzate per l'analisi del degrado del cavo, cioè l'energia depositata e il Displacement Per Atom (DPA). Gli ultimi tre capitoli riportano risultati e analisi di una serie di simulazioni effettuate con il codice FLUKA, un programma MonteCarlo per la simulazione di interazione radiazione materia. Nel quarto capitolo viene delineato lo studio di YBCO e MgB2 attraverso simulazioni di irraggiamento protonico e pionico (per YBCO) e neutronico con neutroni veloci, epitermici e termici (per MgB2). Irraggiando YBCO con pioni+ e pioni- è stato evidenziato come i due mesoni interagiscano in modo molto differente con la materia, permettendo un piccolo approfondimento sulla loro natura. Lo spunto per le simulazioni di irraggiamento neutronico sul campione in MgB2 è arrivato dal Professore Michael Eisterer, ricercatore presso il TU Wien Atominstitut, nel corso del convegno sugli effetti delle radiazioni sui materiali superconduttori (Workshop on Radiation Effects in Superconducting Magnets and Materials 2014) svoltosi alla Wroclaw University of Technology. Le simulazioni sono state svolte come conferma dei risultati sperimentali ottenuti a Vienna in seguito a irraggiamenti neutronici di campioni di MgB2. Partendo da queste simulazioni si è svolto poi un breve studio sulla natura del dpa nel diboruro di magnesio. Il quinto capitolo è dedicato alla ricerca della configurazione finale delle connessioni superconduttive. Per fare ciò si è deciso di prendere in considerazione uno dei punti più critici del link all'interno dell' Interaction Region 1, cioè la regione del primo quadrupolo (il quadrupolo più vicino all' Interaction Point 1), e svolgere delle simulazioni volte a determinare il materiale e la geometria per l'implementazione ottimale del cavo. Nel sesto e ultimo capitolo, considerando il layout finale del cavo nel Point 1, si sono individuati i due punti più critici cioè la regione attorno al primo quadrupolo (la più vicina al punto di interazione di ATLAS) e quella del Connection Module (dove il link finirà la sua corsa passando molto vicino alla beam pipe). Proprio in queste due regioni calde si son svolte le simulazioni, in collaborazione con il team FLUKA presso il CERN, allo scopo di studiare il degrado delle connessioni superconduttive.