Comprehensive Study and Optimized Redesign of the CERN's Antiproton Decelerator Target

Abstract

El Antiproton Decelerator Target (AD-Target) es un dispositivo único responsable de la generación de Antiprotones en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). En operación, intensos haces de protones con una energía de 26 GeV son impactados en su núcleo, un cilindro de 3 mm de diámetro constituido por un material de alta densidad como el iridio, creando partículas secundarias -entre ellas, antiprotones- como consecuencia de las reacciones nucleares inducidas en el interior de éste. La tesis profundiza en las características del target de producción de antiprotones, y en particular, en la respuesta mecánica de su núcleo, el cual está sometido a un incremento de temperatura de aproximademente 2000 grados centígrados en menos de 0.5 microsegundos cada vez que es impactado por el haz de protones primario. Para ello, una metodología combinando técnicas numéricas y experimentales ha sido llevada a cabo.

Se han aplicado herramientas computacionales específicas, llamadas hydrocodes, para simular la respuesta dinámica originada en el núcleo del target y su matriz contenedora, hecha de grafito, indicando su potencial fragmentación como resultado de una onda radial de alta frecuencia de presión compresión-tracción generada después de cada impacto del haz de protones.

Asimismo, se ha llevado a cabo un experimento llamado HiRadMat27. En éste, varios cilindros de materiales de alta densidad, candidatos para un futuro diseño del target, tales como Ir, W, W-La, Mo, TZM y Ta, han sido expuestos a condiciones dinámicas equivalentes a las alcanzadas en el AD-Target mediante impactos de haces de protones de 440 GeV en la instalación HiRadMat. Se ha usado instrumentación en línea para medir la onda radial pronosticada, confirmando la precisión de las simulaciones de hydrocodes. Todos los materiales irradiados excepto Ta sufrieron agrietamientos internos desde condiciones 5-7 veces menores a las presentes en el AD-Target, mientras que este último aparentemente sobrevivió.

La información obtenida ha sido aplicada para proponer un nuevo diseño optimizado del target, el cual incluye un sistema de refrigeración de aire a presión, una nueva configuración en Ta de su núcleo, y una matriz contenedora hecha de grafito expandido (GE). Se han llevado a cabo cálculos de dinámica de fluidos computacional y elementos finitos para validar el sistema de refrigeración y la vida a fatiga del ensamblaje del target. Además, se ha construido un primer prototipo del núcleo del target y su matrix contenedora. Estas actividades marcan la senda para la fabricación de un nuevo lote de targets que garanticen la física de antiprotones en el CERN durante las siguientes décadas de operación.

The Antiproton Decelerator Target (AD-Target) is a unique device responsible for the production of antiprotons at the European Organization for Nuclear Research (CERN). During operation, intense 26 GeV energy proton beams are impacted into its core, made of a 3 mm diameter rod of a high density material such as iridium, creating secondary particles -including antiprotons- from the nuclear reactions induced in its interior. This thesis delves into the characteristics of antiproton production and in particular in the mechanical response of the target core material, which is exposed to a rise of temperature of approximate 2000 degrees Celsius in less than 0.5 microseconds each time is impacted by the primary proton beam. A coupled numerical-experimental approach has been applied for this purpose.

Specific computational tools, called hydrocodes, have been used for simulating the extreme dynamic response taking place in the target core and its containing graphite matrix, indicating their potential damage and fragmentation as a result of a high frequency radial compressive-to-tensile pressure wave generated after each proton beam impact.

A challenging first-of-its-kind experiment called HRMT27 was carried out. Several rods of high density materials, candidate for a future optimized target design, such as Ir, W, W-La, Mo, TZM and Ta were brought to equivalent dynamic conditions as reached in the AD-Target core by impacting them with 440 GeV proton beams using the HiRadMat facility. Online instrumentation was used to measure the predicted radial wave, confirming the accuracy of the hydrocode simulations. All of the irradiated target materials except Ta showed internal cracking from conditions 5-7 times below the present in the AD-Target while the latter apparently survived.

Lessons learned are applied for proposing a new optimized target design, including a pressurized-air cooling system, Ta core configuration, and a containing matrix made of expanded graphite (EG). Computational Fluid Dynamic and Structural Finite Element analyses have been carried out to validate the new cooling system and fatigue life of the target assembly. A first prototype of the target core and its containing EG matrix has been built. These activities lead the way into manufacturing a new set of antiproton targets to guarantee antiproton physics at CERN during next decades of operation.

L'Antiproton Decelerator Target (AD-Target) és un dispositiu únic responsable de la generació d'Antiprotons a la Organització Europea per la Recerca Nuclear (CERN). En operació, intensos feixos de protons amb una energia de 26 GeV impacten contra el seu nucli, un cilindre de 3 mm de diámetre constituït per un material de densitat alta com l'iridi, creant partícules secundáries - entre elles, antiprotons - com a conseqüència de les reaccions nuclears induïdes a l'interior d'aquest. La tesis profunditza en les característiques del target de producció d'antiprotons i, en particular, a la resposta mecánica del seu nucli, el qual és sotmès a un increment de temperatura de aproximadement 2000 graus centígrads en menys de 0.5 microsegons cada vegada que és impactat pel feix de protons primari. Per aixó, s'ha portat a terme una metodologia que combina tècniques numèriques i experimentals.

S'han utilitzat eines computacionals específiques, anomenades hydrocodes, per simular la resposta dinàmica originada al nucli del target i a la seva matriu contenidora, feta de grafit. La dita resposta, indica la seva potencial fragmentació com a resultat d'una ona radial d'alta freqüència de pressió compressió-tracció generada després de cada impact del feix de protons.

Així mateix, s'ha portat a terme un experiment anomenat HiRadMat27. En aquest, varis cilindres de materials d'alta densitat, candidats per un futur diseny del target, tals com Ir, W, W-La, Mo, TZM i Ta, han estat exposats a condicions dinàmiques equivalents a les assolides a l'AD-Target mitjanant impactes de feixos de protons de 440 GeV a l'instalació HiRadMat. S'ha utilitzat instrumentació en línia per mesurar l'ona radial pronosticada, confirmant la precisió de les simulacions d'hydrocodes. Tots el materials irradiats excepte Ta van sofrir esquerdaments interns desde condicions de 5-7 vegades menors a les presents a l'AD-Target, mentres que aquest últim aparentment va sobreviure.

L'informació obtinguda ha estat aplicada per proposar un nou diseny optimizat del target, el qual inclou un sistema de refrigeració de l'aire a pressió, una nova configuració en Ta del seu nucli, i una matriu contenidora feta de grafit expandit (GE). S'han portat a terme càlculs de dinàmica de fluids computacionals i elements finits per validar el sistema de refrigeració i la vida a fatiga de l'ensambladura del target. S'ha construit un primer prototip del nucli del target i la seva matriu contenidora. Totes aquestes activitats marquen la sendera per a la fabricació del nou lot de targets que garantitzin la física d'antiprotons al CERN durant les següents décades d'operació.