Studien zur energiedeposition in den Experimentsektionen des Future Circular Hadron Colliders

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersUm neue Möglichkeiten in der Teilchenphysik für die Post-LHC Ära zu erkunden, wurde 2014 die Future Circular Collider (FCC) Studie gestartet. Unterschiedliche Maschinen werden evaluiert, unter anderem ein Proton-Proton Speicherring. Gleich wie beim LHC, handelt es sich hierbei um einen Kreisbeschleuniger, allerdings mit einem signifikant längerem Umfang von 100km und einer Schwerpunktsenergie von 100TeV. Protonenkollisionen bei solch hohen Energien führen zu einer großen Mengen Kollisionsdebris in den "experimental insertion regions" (EIR) des Beschleunigers. Dieser Debris beeinflusst die Elemente im Beschleuniger durch Langzeitschäden, wie Abnutzung von organischen Materialien und Supraleitern, aber auch sofortige Effekte, wie dem Zusammenbruch der Supraleitung in Magneten. Diese Arbeit setzt sich mit dem Einfluss von Kollisionsdebris in den EIR mit hoher Luminosität in FCC-hh auseinander. Für diesen Zweck wurden Monte Carlo Simulationen mit dem Fluka Code durchgeführt. Größen wie lineare Leistungsverteilung, maximale Leistungsdichte, integrierte Dosis und DPA (Displacements per Atom) wurden für beide Kreuzungswinkeloptionen, horizontal und vertikal, untersucht. Optimierungsmaßnahmen um den Einfluss auf die Magnete zu verringern wurden entwickelt. Durch diese Maßnahmen, sind sowohl die absorbierte Leistung als auch die maximale Leistungsdichte unter den kritischen Werten. Die DPA profitiert ebenfalls von der Optimierung, allerdings sind weitere Untersuchungen notwendig. Das Kryogeniksystem ist fähig die Leistung von den supraleitenden Magneten abzutransportieren und diese sind vor Zusammenbruch der Supraleitung gesichert. Die maximale Leistungsdichte bleibt deutlich unter dem Grenzwert von 8mW/cm 3. Die Situation für die integrierte Dosis auf den Insulatoren hat sich signifikant verbessert, allerdings überschreiten noch immer einige Magnete das Designlimit von 30MGy. Dieses Limit wurde sehr konservativ gewählt und durch die Verwendung von widerstandsfähigeren Materialien sollte das Designlimit auf 100MGy anwachsen. In diesem Fall wäre die integrierte Dosis für alle Magnete in der EIR akzeptabel, mit einer Ausnahme. Für diesen Magneten sollten weitere Optimierungsmaßnahmen angedacht werden.In order to explore new possibilities for particle physics for the post-LHC era, the Future Circular Collider (FCC) study was launched in 2014 to assess its feasibility. Different machines are considered, including a hadron collider machine, FCC-hh. Similar to LHC, this would be a circular collider with a significantly larger circumference of 100km and colliding protons at a centre of mass energy of 100TeV. Proton collisions at such high energies lead to a large amount of collision debris in the experimental insertion regions (EIR) of the accelerator. The collision debris impacts the elements of the accelerator causing long term damages, like deterioration of organic materials and superconductors, as well as instantaneous effects, like quenching of the superconducting magnets. This thesis studies the impact of the collision debris in the high-luminosity EIR of FCC-hh. For this purpose Monte Carlo simulations have been performed with the FLUKA code. Quantities like linear power distribution, peak power density, integrated dose and displacements per atom are studied for the elements of the EIR for both, horizontal and vertical crossing schemes. Mitigation strategies are developed for decreasing the impact on the magnets. With those mitigation strategies, both the absorbed power and the peak power density, are below the critical values for all the magnets. The displacements per atom benefited as well from the mitigation strategies, but still require further analysis. The cryogenic system could evacuate the deposited power on the cold masses and the magnets are protected against the risk of quenching. The peak power density remains below 8mW/cm 3, which is reassuring. As for the integrated dose on the insulator, the situation improved significantly but there are still few magnets where the design limit of 30MGy is exceeded. This rather conservative limit is expected to rise up to 100MGy with the use of more resistant materials. In this case, the accumulated dose would be acceptable for all the magnets of the EIR, with one exception. Further mitigation measures should be conceived for this magnet.8