Newly introduced particle accelerators such as the Large Hadron Collider (LHC) of CERN (Geneva, CH) exhibit a huge increase in the energy stored inside the accelerated beam with respect to previous machines, bringing to the need of more efficient, reliable and robust Collimation. The research on new materials for Beam Intercepting Devices (BID) is therefore receiving strong interest at CERN and in the rest of the particle accelerator’s community with the aim to improve the cleaning efficiency and the robustness of BID. In that framework the aim of the present PhD work is to develop, characterize and produce new composite materials to be used in LHC Collimators active part that must satisfy multiple requirements in terms of: density and average atomic number, electrical conductivity, thermal conductivity, thermal expansion and robustness against accidental beam impacts. In addition, since the material will be heavily irradiated during its life cycle, it must not contain elements that create dangerous isotopes and must be able to withstand high cumulated doses before to lose its properties by radiation induced degradation. The thesis work has been divided into two main multi-disciplinary axes that are strongly interconnected between each other: the novel composites R&D and their characterization in standard conditions and the experimental testing of proposed materials against a real proton beam impact. The first part included a preliminary study of present solutions and available composites, the characterization of already developed materials and finally the research, development and characterization of new Molybdenum based composites, which has been carried out in collaboration with the private company BrevettiBizz (Verona, IT) between 2011 and 2013. Molybdenum has been chosen as the main element because of its extraordinary mechanical properties combined with very high Thermal Stability and a good chemical affinity with carbon materials like diamond and graphite. The most important milestones in the materials R&D presented in the thesis work are Molybdenum - Copper - Diamond (MoCuCD), Molybdenum Carbide - Graphite (MoGR) and Molybdenum Carbide - Graphite - Carbon Fibers (MoGRCF). MoGRCF stands out as promising BID material because of an excellent combination of thermal and physical properties. The material is obtained by Liquid Phase Sintering of Mo, graphite and carbon fibers at high temperature: the reaction between Molybdenum and graphite promotes the complete transformation of Molybdenum in carbide Mo2C, electrically conductive and refractory (TM >2500C). The result is an outstanding material with a thermal conductivity in excess of 700 W/mK and a density of only 2.8 g/cm3. The second part of the thesis is the final testing of proposed materials against a direct beam impact to compare the different collimator materials in a real-life accidental situation., supported by numerical simulations of the beam impacts. The experiment took place into the HiRadMat facility at CERN (High Radiation to Materials) during September-October 2012, entailing the controlled impact on 6 different Collimator materials with increasing proton beam intensities of the Super Proton Synchrotron particles accelerator of CERN (operating at 440 GeV). The energy of the impacts was enough to observe the samples explosion by high speed video camera (during the high intensity shots) and the observation of macroscopic damage on impacted samples. The proposed comparison of the different materials will be the background for the final choice of the LHC Collimator materials to be taken in next years at CERN.

I moderni acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider del CERN (Ginevra, CH) mostrano un importante incremento della energia immagazzinata all’interno dei fasci rispetto alla precedente generazione di acceleratori, rendendo necessario lo sviluppo di sistemi di collimazione del fascio più efficienti, affidabili e robusti. La ricerca di nuovi materiali per dispositivi di intercettazione del fascio (Beam Intercepting Devices, BID) sta quindi ricevendo un grande interesse da parte del CERN e del resto della comunità degli acceleratori di particelle: in questo contesto lo scopo del presente dottorato è di sviluppare, caratterizzare e produrre nuovi materiali compositi da introdurre nelle mascelle dei Collimatori di fascio dell’LHC, i quali soddisfino stringenti requisiti di: densità e numero atomico (efficienza pulizia fascio), conducibilità elettrica (impedenza in radiofrequenza), resistenza a shock termici (impatto accidentale fascio di protoni ad alta energia), conducibilità termica ed espansione termica (stabilità termica). Questa tesi è stata divisa in due assi principali: lo sviluppo e la caratterizzazione in condizioni standard di nuovi compositi, e i test sperimentali effettuati sui materiali proposti per verificarne il comportamento in condizioni estreme, supportati sia da misure in tempo reale che da analisi a posteriori del danno residuo. La prima parte ha incluso lo studio delle soluzioni attualmente implementate nei collimatori dell’LHC, dei compositi disponibili sul mercato, la caratterizzazione di materiali già sviluppati ed infine la ricerca e sviluppo dei nuovi compositi a base Molibdeno. La scelta del Molibdeno come costituente principale è dovuta alle sue eccezionali proprietà meccaniche combinate alla sua alta stabilità termica alle alte temperature ed alla sua affinità con materiali a base carbonio come il diamante, la grafite e le fibre di carbonio. I traguardi più rappresentativi raggiunti sono i compositi Molibdeno-Rame-Diamante (MoCuCD), Carburo di Molibdeno-Grafite (MoGR) e Carburo di Molibdeno-Grafite-Fibre di Carbonio (MoGRCF). Tra questi MoGRCF rappresenta un ottimo candidato come materiale per BID e viene proposto per la realizzazione dei futuri collimatori di fascio. Il nuovo composito si basa sulla reazione in stato solido tra il Molibdeno e la grafite per formare carburo Mo2C, elettricamente conduttivo e refrattario (TM>2500C). L’aggiunta di un forte quantitativo di fibre di carbonio e la sinterizzato in fase liquida ad altissime temperature permettono di ottenere valori di conducibilità termica in eccesso di 700 W//mK ed una densità di soli 2.8 g/cm3. La seconda parte della tesi tratta della verifica dei materiali sviluppati nel caso di impatti accidentali di fasci ad alta energia, simulando agli elementi finiti l’impatto e collezionando dati sperimentali. L’esperimento è stato svolto all’interno della struttura sperimentale di HiRadMat (High Radiation to Materials) al CERN nel periodo di Settembre-Ottobre 2012, comportando l’impatto controllato del fascio di protoni del Super Proton Synchrotron del CERN operante a 440 GeV su provini di 6 materiali di interesse per i Collimatori dell’LHC. L’energia degli impatti ad alta intensità è stata sufficiente per osservare l’esplosione dei provini impattati tramite una video camera ad alta velocità e per confrontare il danno residuo sui diversi materiali. Il confronto proposto dei diversi materiali rappresenta la base per la scelta finale, da prendere nei prossimi anni, del materiale da usare nei futuri Collimatori di Hi-Lumi LHC.

Development of novel, advanced molybdenum based composites for high energy physics applications

MARIANI, NICOLA

Abstract

Newly introduced particle accelerators such as the Large Hadron Collider (LHC) of CERN (Geneva, CH) exhibit a huge increase in the energy stored inside the accelerated beam with respect to previous machines, bringing to the need of more efficient, reliable and robust Collimation. The research on new materials for Beam Intercepting Devices (BID) is therefore receiving strong interest at CERN and in the rest of the particle accelerator’s community with the aim to improve the cleaning efficiency and the robustness of BID. In that framework the aim of the present PhD work is to develop, characterize and produce new composite materials to be used in LHC Collimators active part that must satisfy multiple requirements in terms of: density and average atomic number, electrical conductivity, thermal conductivity, thermal expansion and robustness against accidental beam impacts. In addition, since the material will be heavily irradiated during its life cycle, it must not contain elements that create dangerous isotopes and must be able to withstand high cumulated doses before to lose its properties by radiation induced degradation. The thesis work has been divided into two main multi-disciplinary axes that are strongly interconnected between each other: the novel composites R&D and their characterization in standard conditions and the experimental testing of proposed materials against a real proton beam impact. The first part included a preliminary study of present solutions and available composites, the characterization of already developed materials and finally the research, development and characterization of new Molybdenum based composites, which has been carried out in collaboration with the private company BrevettiBizz (Verona, IT) between 2011 and 2013. Molybdenum has been chosen as the main element because of its extraordinary mechanical properties combined with very high Thermal Stability and a good chemical affinity with carbon materials like diamond and graphite. The most important milestones in the materials R&D presented in the thesis work are Molybdenum - Copper - Diamond (MoCuCD), Molybdenum Carbide - Graphite (MoGR) and Molybdenum Carbide - Graphite - Carbon Fibers (MoGRCF). MoGRCF stands out as promising BID material because of an excellent combination of thermal and physical properties. The material is obtained by Liquid Phase Sintering of Mo, graphite and carbon fibers at high temperature: the reaction between Molybdenum and graphite promotes the complete transformation of Molybdenum in carbide Mo2C, electrically conductive and refractory (TM >2500C). The result is an outstanding material with a thermal conductivity in excess of 700 W/mK and a density of only 2.8 g/cm3. The second part of the thesis is the final testing of proposed materials against a direct beam impact to compare the different collimator materials in a real-life accidental situation., supported by numerical simulations of the beam impacts. The experiment took place into the HiRadMat facility at CERN (High Radiation to Materials) during September-October 2012, entailing the controlled impact on 6 different Collimator materials with increasing proton beam intensities of the Super Proton Synchrotron particles accelerator of CERN (operating at 440 GeV). The energy of the impacts was enough to observe the samples explosion by high speed video camera (during the high intensity shots) and the observation of macroscopic damage on impacted samples. The proposed comparison of the different materials will be the background for the final choice of the LHC Collimator materials to be taken in next years at CERN.
CASTIGLIONI, CHIARA
BEGHI, MARCO
17-mar-2014
I moderni acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider del CERN (Ginevra, CH) mostrano un importante incremento della energia immagazzinata all’interno dei fasci rispetto alla precedente generazione di acceleratori, rendendo necessario lo sviluppo di sistemi di collimazione del fascio più efficienti, affidabili e robusti. La ricerca di nuovi materiali per dispositivi di intercettazione del fascio (Beam Intercepting Devices, BID) sta quindi ricevendo un grande interesse da parte del CERN e del resto della comunità degli acceleratori di particelle: in questo contesto lo scopo del presente dottorato è di sviluppare, caratterizzare e produrre nuovi materiali compositi da introdurre nelle mascelle dei Collimatori di fascio dell’LHC, i quali soddisfino stringenti requisiti di: densità e numero atomico (efficienza pulizia fascio), conducibilità elettrica (impedenza in radiofrequenza), resistenza a shock termici (impatto accidentale fascio di protoni ad alta energia), conducibilità termica ed espansione termica (stabilità termica). Questa tesi è stata divisa in due assi principali: lo sviluppo e la caratterizzazione in condizioni standard di nuovi compositi, e i test sperimentali effettuati sui materiali proposti per verificarne il comportamento in condizioni estreme, supportati sia da misure in tempo reale che da analisi a posteriori del danno residuo. La prima parte ha incluso lo studio delle soluzioni attualmente implementate nei collimatori dell’LHC, dei compositi disponibili sul mercato, la caratterizzazione di materiali già sviluppati ed infine la ricerca e sviluppo dei nuovi compositi a base Molibdeno. La scelta del Molibdeno come costituente principale è dovuta alle sue eccezionali proprietà meccaniche combinate alla sua alta stabilità termica alle alte temperature ed alla sua affinità con materiali a base carbonio come il diamante, la grafite e le fibre di carbonio. I traguardi più rappresentativi raggiunti sono i compositi Molibdeno-Rame-Diamante (MoCuCD), Carburo di Molibdeno-Grafite (MoGR) e Carburo di Molibdeno-Grafite-Fibre di Carbonio (MoGRCF). Tra questi MoGRCF rappresenta un ottimo candidato come materiale per BID e viene proposto per la realizzazione dei futuri collimatori di fascio. Il nuovo composito si basa sulla reazione in stato solido tra il Molibdeno e la grafite per formare carburo Mo2C, elettricamente conduttivo e refrattario (TM>2500C). L’aggiunta di un forte quantitativo di fibre di carbonio e la sinterizzato in fase liquida ad altissime temperature permettono di ottenere valori di conducibilità termica in eccesso di 700 W//mK ed una densità di soli 2.8 g/cm3. La seconda parte della tesi tratta della verifica dei materiali sviluppati nel caso di impatti accidentali di fasci ad alta energia, simulando agli elementi finiti l’impatto e collezionando dati sperimentali. L’esperimento è stato svolto all’interno della struttura sperimentale di HiRadMat (High Radiation to Materials) al CERN nel periodo di Settembre-Ottobre 2012, comportando l’impatto controllato del fascio di protoni del Super Proton Synchrotron del CERN operante a 440 GeV su provini di 6 materiali di interesse per i Collimatori dell’LHC. L’energia degli impatti ad alta intensità è stata sufficiente per osservare l’esplosione dei provini impattati tramite una video camera ad alta velocità e per confrontare il danno residuo sui diversi materiali. Il confronto proposto dei diversi materiali rappresenta la base per la scelta finale, da prendere nei prossimi anni, del materiale da usare nei futuri Collimatori di Hi-Lumi LHC.
Tesi di dottorato
File allegati
File Dimensione Formato  
2014_03_PhD_Mariani.pdf

accessibile in internet per tutti

Descrizione: Testo della Tesi
Dimensione 28.5 MB
Formato Adobe PDF
28.5 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/89683