Damage limits of superconducting magnets in case of impact by high intensity particle beams

Diese Arbeit untersucht die Schadensobergrenzen von supraleitenden Beschleunigermagneten, die der Einwirkung eines hochintensiven Protonenstrahls ausgesetzt sind. Das Ziel dabei ist, den sicheren und zuverlässigen Betrieb aktueller und zukünftiger Hochenergiebeschleuniger zu gewährleisten. Zur Untersuchung des Materialverhaltens wurde in der HiRadMat-Anlage am CERN ein Bestrahlungsexperiment mit speziell angefertigten Testspulen durchgeführt. Der kritische Strom der Proben wurde vor und nach der Bestrahlung gemessen, um mögliche Leistungseinbußen in Abhängigkeit von der eingetragenen Energie festzustellen.
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Es wurde ein umfassendes numerisches Modell entwickelt, das die gemessenen Strahlparameter mit Monte-Carlo- und Finite-Elemente-Methoden-Simulationen kombiniert, um den Energieeintrag und die thermomechanische Reaktion der Spulen zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht imprägnierte Spulen auf Basis von NbTi-Leitern einem lokalen Energieeintrag von bis zu 3,03 ± 0,21 kJ/cm³ standhalten können, was einem Hotspot von 988 ± 61 K entspricht, ohne dass eine messbare Reduktion des kritischen Stroms auftritt. In ähnlicher Weise behielten Nb₃Sn-Spulen, die mit CTD-101K-Epoxidharz imprägniert waren, ihren kritischen Strom bis zu 1,75 ± 0,09 kJ/cm³ bei, was Hotspots von 695 ± 28 K und einer mechanischen Dehnung von etwa 0,42 % entspricht.

Nach der Bestrahlung wurde eine gewisse, nicht permanente Leistungseinbuße an den Testspulen beobachtet, der nicht allein auf die thermischen Zyklen zurückgeführt werden konnte. Kleine Risse im Epoxidharz wurden nach der Bestrahlung identifiziert. Diese hatten keine Leistungseinbuße zur Folge. Es werden Extrapolationen von den Testspulen auf Beschleunigermagnete in Originalgröße diskutiert. Diese Erkenntnisse tragen zu verbesserten Strategien zum Schutz der Magnete bei und liefern wichtige Informationen für die Auslegung betriebssicherer supraleitender Systeme in Teilchenbeschleunigern der nächsten Generation.

This thesis investigates the damage limits of superconducting accelerator magnets subjected to high-intensity proton beam impacts, with the aim of supporting the safe and reliable operation of current and future high-energy accelerators. To evaluate the material response, a dedicated beam impact experiment was conducted at CERN's HiRadMat facility, using custom-fabricated sample coils. The critical current of the samples was measured before and after irradiation to assess the onset of performance degradation.

A comprehensive numerical model, combining experimental beam parameters with Monte Carlo and Finite Element Method simulations, was developed to characterize the energy deposition and thermo-mechanical response of the coils. ... mehrThe results demonstrate that non-impregnated coils based on NbTi conductors can withstand localized energy deposition up to **3.03 ± 0.21 kJ/cm³**, corresponding to peak temperatures of **988 ± 61 K**, without measurable degradation in critical current. **Nb₃Sn** coils, impregnated with CTD-101K epoxy, maintained their critical current up to an energy deposition of **1.75 ± 0.09 kJ/cm³**, corresponding to hotspots of **695 ± 28 K** and mechanical strain of **0.42%**.

Some de-training of the sample coils was observed following irradiation, which could not be attributed solely to thermal cycling. Beam-induced defects were identified in the epoxy, but these had no impact on coil performance. Extrapolations from the tested coils to full-scale accelerator magnets are discussed. These findings contribute to improved magnet protection strategies and provide essential input for the design of resilient superconducting systems in next-generation particle accelerators.