Investigation of radiation damage effects in HL-LHC collimator materials

The study of the effects of radiation-matter interaction is of great importance in the nuclear energy industry. Particle physics laboratories operating high-energy and high-intensity particle accelerators developed a growing interest in this field, as the radiation level is increasing with the stored beam energy. The results presented in this work focus on the consequence of radiation damage on accelerators equipment and, in particular, on collimators. This PhD thesis has been carried out at the European Organization for Nuclear Research (CERN), located in Geneva (Switzerland), where the Large Hadron Collider (LHC), the world’s largest accelerator, is operating. The High-Luminosity upgrade of the LHC (HL-LHC) is designed to operate with high-intensity beams, whose stored energy is about 700 MJ. The interaction of particles with collimators induces microscopic defects in the materials, which affect the thermo-physical, electrical and mechanical properties. The evolution of the components during the accelerator lifetime is fundamental to understand if a correct operation can be guaranteed. The aim of this thesis is to study the radiation damage on novel composite materials, specifically developed for HL-LHC collimators. In particular, ion irradiation is used to simulate the effects of protons. The range of the analysed materials includes two grades of molybdenum carbide-graphite composites, one of those is selected as absorber of the new HL-LHC collimators. As a comparison, carbon-fibre-carbon and isotropic polycrystalline graphite are irradiated. The irradiation test is conducted also on some samples coated with metallic films, to simulate the configuration of secondary collimators. The design of the irradiation campaign is presented together with the thermo-mechanical simulations to determine the irradiation temperature. The materials are irradiated at different particle fluences, and the corresponding displacement per atom (dpa) is resented. Each material is irradiated at four or six different levels of dpa, to assess the degradation properties as the irradiation proceed. The experimental part focuses on the measurement of the electrical resistivity relying on the four-probes method. Microscopic investigations are carried out with Raman spectroscopy for graphitic materials, and with FIB-SEM for coatings. The aim of the microstructural analysis is to explain the different behavior of materials under irradiation, and to correlate the changes observed in the electrical resistivity with the microscopic evolution. A comparison between the different materials tested is carried out to understand possible improvements in view of future upgrades of the collimation system. The results presented are then discussed to evaluate the impact on collimators performance and possible mitigation actions.

Lo studio degli effetti dell'interazione radiazione-materia è di grande importanza nel settore dell'energia nucleare. I laboratori di fisica delle particelle che operano con acceleratori di particelle ad alta energia e ad alta intensità hanno sviluppato un crescente interesse in questo campo, poiché il livello di radiazione aumenta con l'energia e intensità del fascio. I risultati presentati in questo lavoro si concentrano sulle conseguenze dei danni da radiazioni sui collimatori. Questa tesi di dottorato è stata svolta presso l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN), situata a Ginevra (Svizzera), dove è in funzione il Large Hadron Collider (LHC), il più grande acceleratore del mondo. L'upgrade ad alta luminosità dell'LHC (HL-LHC) è progettato per operare con fasci ad alta intensità, la cui energia immagazzinata è di circa 700 MJ. L'interazione delle particelle con i collimatori induce difetti microscopici nei materiali, che influiscono sulle proprietà termofisiche, elettriche e meccaniche. L'evoluzione dei materiali durante la vita dell'acceleratore è fondamentale per capire se può essere garantito un corretto funzionamento. Lo scopo di questa tesi è studiare il danno da radiazione su nuovi materiali compositi, sviluppati appositamente per i collimatori di HL-LHC. In particolare, l’irraggiamento con ioni viene utilizzato per simulare gli effetti dei protoni. La gamma dei materiali analizzati include due gradi di compositi di carburo di molibdeno-grafite, uno dei quali è stato selezionato come materiale dei nuovi collimatori HL-LHC. Come confronto, vengono testati anche un materiale composito con fibre di carbonio e la grafite policristallina. Nella campagna di irraggiamento descritta nella tesi, vengono testati anche alcuni campioni rivestiti con un layer metallico, per simulare la configurazione dei collimatori secondari. Il design della campagna d'irradiazione è presentato insieme alle simulazioni termo-meccaniche per determinare la temperatura durante il test. I materiali sono irradiati a differenti fluenze, e il corrispondente spostamento per atomo (dpa) viene riportato. Ogni materiale viene irradiato a quattro o sei livelli differenti di dpa, per valutare le proprietà di degradazione con il procedere dell'irradiazione. La parte sperimentale si concentra sulla misurazione della resistività elettrica basandosi sul metodo delle quattro sonde. Le indagini microscopiche sono effettuate con la spettroscopia Raman per i materiali grafitici, e con microscopia elettronica per i rivestimenti metallici. Lo scopo dell'analisi microstrutturale è di spiegare il comportamento differente dei materiali sotto irradiazione, e di correlare i cambiamenti osservati nella resistività elettrica con l'evoluzione microscopica. Viene effettuato un confronto tra i differenti materiali testati per comprendere futuri miglioramenti del sistema di collimazione. I risultati presentati vengono poi discussi per valutare l'impatto sulle prestazioni dei collimatori e le possibili azioni di mitigazione.