Proton induced thermal stress-wave measurements for ISOLDE and CNGS

Abstract

Hochenergetische Protonen können durch die Wechselwirkung mit den Atomkernen eines Targetmaterials - abhängig von nuklearen Wechselwirkungsquerschnitt - Radioisotope, Neutrinos und verschiedene andere Teilchenarten erzeugen. Für die Erzeugung von Radioisotopen durch kernphysikalische Prozesse mit der ISOL-Methode beträgt die optimale kinetische Energie der Protonen zwischen 1 bis 3 GeV. Bei ISOLDE werden radioaktive Isotope in soliden Hochtemperatur-Targets durch die Wechselwirkung von 1,4 GeV Protonen mit den Atomkernen des Targetmaterials erzeugt. Bei der Neutrino-Erzeugung variiert die Energie der Protonen zwischen 10 und 500 GeV, abhängig von der benötigten kinetischen Energie der Neutrinos und der Distanz zwischen der Neutrino-Quelle und dem Detektor. Beim CNGS Projekt werden Graphit-Zylinder mit einem 450 GeV Protonenstrahl bestrahlt, um Kaonen und Pionen zu produzieren, die durch ihren Zerfall Myonen und Myon-Neutrinos generieren. Die deponierte Energie des Protonenstrahls erzeugt Spannungswellen innerhalb des Target-Materials. Diese Spannungswellen regen das Target selbst zu charakteristischen Eigenschwingungen an oder erzeugen plastische Verformungen. Zu diesem Zweck wurde ein experimenteller Aufbau mit einem Laser Doppler Vibrometer System entwickelt, um eine kontaktfreie Messung von Oberflächenschwingungen im Nanometer-Bereich über eine Distanz von bis zu 40 m an verschiedenen zylindrischen Targets zu ermöglichen. Die erste Reaktion des Targets unmittelbar nach dem Auftreffen des Protonenstrahls und der Übergang von dieser Anregung zu charakteristischen Eigenschwingungen innerhalb der ersten Millisekunden wurde mit diesem Laser Dopper Vibrometer System gemessen. Die Analyse der Erzeugung und Fortpflanzung der Spannungswellen innerhalb des Targets und die Anregung der charakteristischen Eigenschwingungen soll in das Target-Design zukünftiger Anlagen zur Erzeugung von Radioisotopen einfließen, um die Intensität des primären Protonenstrahls, die Anzahl der produzierten Radioisotope und die Lebensdauer des Targets zu erhöhen. Im Fall des CNGS Projekts wurden durch die Kenntnis der Reaktion des Targets unmittelbar nach dem Auftreffen des Protonenstrahls die theoretischen Berechnungen der CRS4-Gruppe überprüft, die zum Design der Target-Einheit geführt haben. Zusätzlich wurden die 1/e-Dämpfungskonstanten der einzelnen Eigenschwingungen aus der gemessenen Oberflächenbewegung ermittelt. Durch diese neue Erkenntnis kann eine konstruktive Interferenz und resonantes Schwingungsverhalten ausgeschlossen werden.<br />In der folgenden Dissertation beschäftigen wir uns im ersten Teil mit den beiden Projekten, für die Spannungswellen-Messungen durchgeführt wurden. Die Durchführung dieser Experimente erforderte ein detailliertes Wissen sämtlicher Abläufe und Prozeduren innerhalb der Projekte und eine profunde Kenntnis der Zielsetzungen. Der zweite Teil beschreibt die theoretischen Grundlagen, die zur Analyse und zum Verständnis der gemessenen Signale erforderlich sind. Dieser Teil stellt gleichzeitig auch eine einheitliche Zusammenfassung der Theorie über Spannungs- und Schockwellen dar. Im dritten Teil beschreiben wir den verwendeten experimentellen Aufbau und die Funktionsweise des Laser Doppler Vibrometers, um die Entstehung des gemessenen Oberflächengeschwindigkeitssignals zu erläutern und die experimentellen Schwierigkeiten, die sich durch das Arbeiten in radioaktiv kontaminierten Zonen ergeben haben, zu verdeutlichen. Im vierten und letzten Teil werden die gemessenen Signale erläutert und diskutiert, sowie ein Ausblick auf weiterführende Experimente gegeben.<br />

Radioisotopes, neutrinos, and many other particles are generated - depending on their nuclear cross-section - by the interaction of a proton beam with the nuclei of a target material. Basically, protons with a kinetic energy between 1 and 3 GeV are used for radioisotope production with the ISOL-method. At ISOLDE, a 1.4 GeV proton beam generates radioactive nuclei in thick high-temperature targets via spallation, fission or fragmentation reactions. Neutrino beams are generated by the interaction of protons with an energy between 10 and 500 GeV, depending on the kinetic energy of the neutrinos and the distance between the neutrino source and the detector. For the CNGS project, kaons and pions are produced by the interaction of 450 GeV protons with graphite cylinders. These pions and kaons decay into muons and muon-neutrinos and generate an artificial neutrino beam. Stress waves are generated when a proton beam interacts with the target material and deposits energy. These stress waves excite natural oscillations of the target itself or cause plastic deformations. Hence, an experimental setup with a laser Doppler vibrometer was developed to investigate free surface vibrations of cylindrical targets. Surface displacement amplitudes in the nano-meter range could be recorded at distances of up to 40 m without any contact between the target and the sensor. The first response immediately after proton beam impact and the transient state within the first ms was measured with a laser Doppler vibrometer. The analysis of the stress wave generation and propagation and the excitation of the natural oscillations will influence the target design of future facilities for the production of radioisotopes, which aim to increase the intensity of the primary proton beam, the number of released radioisotopes and the lifetime of the targets. In the case of the CNGS project, the investigation of the first response of the target rods after proton beam impact confirmed the theoretical calculations of the CRS4 group, which lead to the current target design. Additionally, 1/e-damping constants were obtained from the measured free surface displacement signals. This knowledge helps to avoid constructive stress wave interference and resonant behavior of the target rod between two proton pulses.<br />In this thesis, the CNGS and ISOLDE facility are described in the first part to show all the details of these facilities, which are necessary for the planning and realization of the stress wave measurements. The second part gives a summary of the stress and shock wave theory, which is needed for the analysis of the measured free surface velocity signals. In the third part the laser Doppler vibrometer and the experimental setups are described to understand the generation of the measured surface velocity signals and to show the experimental difficulties which arose in the radioactive zones. In the last part the obtained measurement results for carbon, tantalum and lead targets are discussed and an outlook of possible measurements is given.