[論文レビュー] Aging tests of the proportional wire chambers using Ar/CF4/CH4 (74:20:6), Ar/CF4/CH4 (67:30:3), Ar/CF4/CO2 (65:30:5) mixtures for the HERA-B Muon Detector

M. Danilov, L. Laptin+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2001

Particle Detector Development and Performance参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、HERA-B実験の高レートミューオン検出器における使用を想定し、Ar/CF₄/CH₄およびAr/CF₄/CO₂ガス混合物の放射線下での老化特性を評価した。X線照射下では低老化を示したが、100 MeV α粒子照射下では100倍以上も速い老化が観測され、Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物は高イオン化環境下では使用不可能とされた。これは、老化は総電荷量だけでなく、放射線の種別に強く依存することを示している。

ABSTRACT

The Muon Detector of the HERA-B experiment at DESY is a gaseous detector that provides muon identification in a high-rate hadronic environment. We present our studies on the properties of several fast gases, Ar/CF4/CH4 (74:20:6), Ar/CF4/CH4 (67:30:3) and Ar/CF4/CO2 (65:30:5), which have been found to fulfill muon detection requirements. The severe radiation environment of the HERA-B experiment leads to the maximum charge deposit on a wire, within the muon detector, of 200 mC/cm per year. For operation in such an environment, the main criteria for the choice of gas turned out to be stability against aging. An overview of aging results from laboratory setups and experimental detectors for binary and ternary mixtures of Ar, CH4, CF4 and CO2 is presented and the relevance of the various aging results is discussed. Since it is not clear how to extrapolate aging results from small to large areas of irradiation, the lifetime of aluminum proportional chambers was studied under various conditions. In this paper we provide evidence that aging results depend not only upon the total collected charge. It was found that the aging rate for irradiation with $Fe^{55}$ X-rays and 100 MeV $α$-particles may differ by more than two orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 高放射線環境下における比例ワイヤーチェンバーに適した安定的で高速なガス混合物の特定を目的とする。
• 異なる放射線源および条件下におけるAr/CF₄ベースの混合物の老化挙動を評価すること。
• 小スケールのラボ試験で得られた老化データが、大面積検出器での運用にどのように外挿可能かを検討すること。
• 放射線種別、総電荷量、および運用パrameterがガスチャンバーの寿命に与える影響を調査すること。

提案手法

• Fe-55 X線および100 MeV α粒子を用いてアルミ製比例ワイヤーチェンバーの老化試験を実施した。
• 照射後、ガス増幅率の損失および表面組成変化をSEM/EDS分析により測定した。
• 同じ総電荷量下でのX線照射とα粒子照射の老化速度を比較した。
• Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）、Ar/CF₄/CH₄（67:30:3）、およびAr/CF₄/CO₂（65:30:5）混合物を制御された条件下で使用した。
• ワイヤー表面に形成されたポリマー付着物および導電性「ワイヤー」の有無を、カソードおよびアノード表面の組成分析により特定した。
• 新しいアノードを用いて、老化したカソードと組み合わせた際の破壊電圧試験を実施し、カソードとアノードの老化要因を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ総電荷量下で、Ar/CF₄/CH₄およびAr/CF₄/CO₂混合物について、Fe-55 X線と100 MeV α粒子照射の間で老化速度はどのように変化するか？
• RQ2 小面積ラボ照射試験から得られた老化データは、高レート環境下の大面積検出器運用に信頼性を持って外挿可能か？
• RQ3 放射線種別および粒子エネルギーは、ワイヤー表面に導電性付着物が形成される過程でどのような役割を果たすか？
• RQ4 Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物はX線照射下では低老化を示すが、なぜα線照射下では急速な老化を示すのか？
• RQ5 照射面積の大きさや水分含有量などの運用パrameterは、老化速度にどのように影響するか？

主な発見

• 100 MeV α粒子照射下の老化速度は、Fe-55 X線照射下よりも2桁以上も高く、放射線種別が老化に顕著に影響することを示した。
• Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物はα線照射下で急速な老化を示し、X線照射下の低老化にもかかわらず、HERA-Bミューオン検出器での使用は不可能とされた。
• α線照射後にアノードワイヤーに導電性「ワイヤー」が形成された。これは炭素を多く含むポリマー様付着物であり、イオン衝撃による水素の除去に起因すると考えられる。
• SEM/EDS分析により、ワイヤーおよびカソード表面に炭素およびフッ素の付着が確認された。280 mC/cm照射後、カソード表面はアルミの80％以上を占め、炭素および酸素の微量が検出された。
• 老化したカソードを新しいアノードと組み合わせた場合、破壊の膝上電圧が上昇した。これはカソード表面の付着物が、老化に起因する放電に顕著に寄与していることを示している。
• 本研究では、老化は総電荷量のみでは予測できず、小スケール試験の結果を実検出器に外挿する際には、放射線条件が一致していなければ信頼性がないと結論づけた。