高强度质子加速器的钛合金“射束窗口”为什么会变脆？

高强度钛合金Ti-6AI-4V被广泛用​​作FNAL和J-PARC等高强度质子加速器设施的“射束窗口”。然而，这种合金在质子束暴露之后遭受辐射诱导的硬化和延展性的损失。迫切需要弄清楚这种机械性能下降的根源，以便在这些设施上实现稳定的高强度射束操作，旨在通过进行长基线中微子振荡实验来验证轻子CP违背。

一项国际合作对各种加速器靶材和电子束窗口材料进行了高强度质子束曝光，然后使用最新的分析设备进行了辐照后检查。结果表明，在Ti-6AI-4V中，主要的Ti相中高密度的纳米级缺陷簇会导致极度硬化和延展性的丧失，而高密度的“ β相中的“ω相”颗粒。这些观察结果表明，阿尔法相中的缺陷最有可能导致观察到的辐射硬化，正如在中等较低辐照温度的质子或中子辐照后在其他金属系统中所证明的。辐射诱导的高密度ω相沉淀物的形成和生长，

了解Ti-6Al-4V和其他合金中的辐射硬化源将指导合金等级和适当热处理方法的最终选择，以使下一代射束窗口能够承受高强度质子束的操作。对于聚变反应堆和加速器驱动的核trans变系统的新型耐辐射损伤材料的开发也可能是有益的。

图1 ：(左)“光束窗口”是将加速器与目标站分开的薄壁。朝着目标加速的高强度质子束通过束窗口反复注入。(右)由高强度钛合金Ti-6Al-4V制成的J-PARC中微子实验装置的射束窗口(版权所有：STFC RAL)。

世界各地的大型质子加速器设施，例如美国伊利诺伊州的Femi国家加速器实验室(FNAL)和日本茨城县东海村的日本质子加速器研究中心(J-PARC)，都可以加速质子束和将其与目标材料碰撞(称为“辐射”)。碰撞产生粒子，例如中微子，强子，中子和μ子，这些粒子随后被用于基础粒子和核物理，材料和生命科学的研究，以及聚变反应堆和加速器驱动的核driven变系统的开发。加速器在真空下运行，以降低空气分子散射加速质子的可能性。标靶位于充有氦气或充氮的腔室内，称为标靶站，必须通过称为“射束窗”(图1)的金属薄膜与加速器腔室隔开。射束窗反复暴露于朝目标加速的高强度质子束中，使金属窗受到瞬时热冲击，从而产生压力波。

对于光束窗口，选择薄而轻的材料以最小化沉积的能量和随后的加热，并且需要高强度来承受反复的热冲击。但是，当束窗和目标材料暴露在质子束中时，会发生原子位移(称为“辐射损伤”)，从而使原子和原子簇从金属中的原子晶格位点敲除。辐射损伤是一个严重的问题，它会降低材料的机械性能，并且取决于温度，由于空隙膨胀和缺陷的积累，会引起尺寸变化。

为了验证轻子电荷奇偶性(CP)违规(#1)，FNAL和J-PARC都计划将其光束强度提高到Mega-Watt类，该强度远高于当前功率。为了使这种方法推向高能物理学的前沿，重要的是通过开发或选择耐辐射损伤的材料来预测甚至延长目标和光束窗口的寿命。

为了解决这个问题，美国，欧洲和日本的几个领先的加速器实验室和反应堆/聚变研究机构正在通过RaDIATE国际合作进行合作。从2017年到2018年，RaDIATE合作在布鲁克海文国家实验室(BNL)的布鲁克海文直线加速器同位素生产者(BLIP)上进行了质子辐照实验，其目的是将用于射线窗和目标的各种候选材料暴露于高强度质子束。钛合金被包括在该实验的辐照材料中，其动机是由于目前和将来将J-PARC中微子实验装置的射束窗使用钛合金以及将Ti合金用于中子束装置的射束窗所潜在的影响。 Fermilab(长基线中微子设施)。令人担忧的是，由于辐射引起的机械性能变化，光束窗口可能无法承受预期的更高光束功率下的持续热冲击。辐照后，材料标本随后被运送到太平洋西北国家实验室(PNNL)，由最先进的分析设备进行详细检查。图2显示了在密封和辐照胶囊之前，在称为辐照胶囊的容器内组装的一些钛合金材料试样。然后将材料标本运送到太平洋西北国家实验室(PNNL)，由最先进的分析设备进行详细检查。图2显示了在密封和辐照胶囊之前，在称为辐照胶囊的容器内组装的一些钛合金材料试样。然后，将材料标本运送到西北太平洋国家实验室(PNNL)，由最先进的分析设备进行详细检查。图2显示了在密封和辐照胶囊之前，在称为辐照胶囊的容器内组装的一些钛合金材料试样。

图2 ：(左)BLIP设施的高强度质子束曝光。在用于医学同位素生产的胶囊的上游，安装了六个由RaDIATE Collaboration参与者设计和制造的含有靶标和射束窗口材料的胶囊，并进行了高强度质子束曝光。颜色表示由质子束引起的热量沉积(红色表示最热的温度，蓝色表示最冷的温度)。(右)在装有钛合金样品的胶囊内部，用于拉伸试验以及在最下游(第6个位置)进行电子显微镜观察。

研究方法与成果

到目前为止，J-PARC中微子实验设施采用钛合金Ti-6Al-4V，ze。，钛(Ti)和6%的铝(Al)和4%的钒(V)作为其射束窗口，在轻质钛合金中具有很高的强度。当将纯Ti加热到885℃时，钛经历从较低温度α相到较高温度β相的相变。

故意添加Al和V是因为它们分别稳定了α相和β相，从而生产出可以进行热处理以产生双相结构的合金，该合金可以定制以产生所需的机械性能(图3)。 

图3：Ti-6Al-4V合金的电子显微镜。具有不同晶体结构的α相和β相共存。该 ω -PHASE距离很细的沉淀β -PHASE，与特定关系到β -PHASE方向。

然而，在辐照后，以较低剂量辐照的Ti-6Al-4V试样的拉伸试验显示出均匀伸长率几乎完全丧失，并且屈服点相应增加(称为脆化)，这可能会影响光束窗口的性能。另一方面，Ti-3Al-2.5V合金，另一种双α+β相合金，但β相较少，即使经过三倍的辐照，也保持了3%的均匀伸长率(图4)。 

图4：Ti-6Al-4V(左)和Ti-3Al2.5V(右)的应力-应变曲线(请参阅词汇表* 4)。实线在照射之前，而虚线在照射之后。清楚地观察到，Ti-6Al-4V合金(左)在辐照后几乎失去所有均匀的伸长率，即应力在屈服后立即降低。

为了开始理解这两种合金之间拉伸性能显着差异的原因，已使用能够进行原子分辨率和各种分析模式探测的最新型透射电子显微镜研究了辐照的Ti-6Al-4V。在纳米级及以上的化学和结构变化。结果，在α相中发现了高密度的缺陷簇，形成了小的位错环，并且在β相辐照过程中，甚至出现了更高密度的非常细小的析出物，称为“ω相”(图5)。辐照前合金中存在ω相的前体，但辐照加速了该相的沉淀，已知这会显着降低合金的延展性。所有这些事实表明，辐照后Ti-6Al-4V合金中均匀伸长率的显着降低是由于a相中小的缺陷簇的高密度，而晶间ω相的演变进一步加剧了这种缺陷β相。需要进一步的工作来完全理解两种合金之间的差异。

图5：透射电子显微照片突出显示了Ti-6Al-4V合金中的β相。在左图插图中所示的电子束衍射图中，出现明显的条纹。随着质子束曝光的增加，这些条纹会聚集成离散的衍射点(从左至右插图)。通过选择红色箭头所示的这些条纹/斑点之一，可以将ω相解析为高密度的明亮粒子，如主图像所示，该粒子在质子辐照下会明显变粗。

成就和对未来研究的期望的意义

到目前为止，钛合金Ti-6AI-4V已被用作高强度质子加速器设施的电子束窗口。但是，现在已经表明，合金在暴露于相对较低的质子剂量之后失去均匀的伸长率。它可能不适用于以更高的射束功率在FNAL和J-PARC的下一代中微子实验设施的射束窗口。进行了对其他合金和不同热机械加工的探索，以确定可以处理远光功率的可接受的候选材料。通过这项研究，已经获得了对不同等级的钛合金如何响应辐照的见解。实际上，根据RaDIATE协作组织的研究，一种合金尤其在辐照后显示出更少的材料性能下降。这项研究在开发适用于更高功率光束操作的合适光束窗口材料方面取得了重要的里程碑。这项研究也可能有益于抗辐射钛合金的开发，该材料可能在聚变反应堆和加速器驱动的核trans变系统中发挥作用。

RaDIATE国际合作进行合作研究，以寻找目标和光束窗口材料的解决方案，这些解决方案将影响世界上所有主要的大型加速器设施。必须采取国际研究活动的协作方式，以帮助实现为空前的高强度加速器运行选择合适的材料，这将有助于推动粒子与核物理，材料与生命科学以及加速器驱动的核转化技术的突破。