[論文レビュー] Preliminary results on the long term operation of RPCs with eco-friendly gas mixtures under irradiation at the CERN Gamma Irradiation Facility

L. Quaglia, D. Ramos+56 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2023

Particle Detector Development and Performance参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、CERNのガンマ線照射施設において長期間にわたる放射線照射下で、従来の高GWPガスに代わる環境に配慮したガス混合物（HFO-1234zeおよびCO2）を抵抗板型カウンター（RPC）に適用した。予備的な結果として、12か月間の照射において安定した電流応答が得られ、高背景条件下では4–8%の効率低下が認められ、大信号汚染の増加により環境に配慮したガス混合物の運用電圧範囲が狭まる傾向が示された。

ABSTRACT

Since 2019 a collaboration between researchers from various institutes and experiments (i.e. ATLAS, CMS, ALICE, LHCb/SHiP and the CERN EP-DT group), has been operating several RPCs with diverse electronics, gas gap thicknesses and detector layouts at the CERN Gamma Irradiation Facility (GIF++). The studies aim at assessing the performance of RPCs when filled with new eco-friendly gas mixtures in avalanche mode and in view of evaluating possible ageing effects after long high background irradiation periods, e.g. High-Luminosity LHC phase. This challenging research is also part of a task of the European AidaInnova project. A promising eco-friendly gas identified for RPC operation is the tetrafluoruropropene (C$_{3}$H$_{2}$F$_{4}$, commercially known as HFO-1234ze) that has been studied at the CERN GIF++ in combination with different percentages of CO$_2$. Between the end of 2021 and 2022 several beam tests have been carried out to establish the performance of RPCs operated with such mixtures before starting the irradiation campaign for the ageing study. Results of these tests for different RPCs layouts and different gas mixtures, under increasing background rates are presented here, together with the preliminary outcome of the detector ageing tests.

研究の動機と目的

• 低グリーンハウスガス効果（GWP）を有する環境に配慮したガス混合物を用いたRPCの長期的性能および老化効果を評価すること。
• LHCで使用されるRPCにおけるC2H2F4（GWP 1430）およびSF6（GWP 22800）といった高GWPガスの代替を図ること。
• HFO-1234zeおよびCO2混合物が、高背景放射線条件下でのRPC運用において持続可能な代替手段として実現可能かどうかを評価すること。
• CERNおよびEUのフロン系温室効果ガス（F-GHG）の段階的削減目標を支援すること。
• 将来のハイリタリティ性LHC（HL-LHC）アップグレードにおける導入に向けたデータ提供を行うこと。

提案手法

• CERNガンマ線照射施設（GIF++）で、ガスギャップ厚さ、電子回路、幾何形状が異なる複数のRPCを運用した。
• C2H2F4/SF6混合物の代替として、HFO-1234ze（C3H2F4）を異なる濃度（例：35/50 HFO/CO2）でCO2と混合した環境に配慮した代替ガスを用いた。
• HL-LHCで想定される高背景条件を再現するため、137Cs源を用いた長期間の放射線照射キャンペーンを実施した。
• 約1年間にわたって吸収電流、ダーク電流、オーム成分のモニタリングを行い、安定性および老化効果を評価した。
• 放射線照射前の背景率を段階的に上昇させたビームテストにより、ベースライン性能（効率、電荷スペクトル、プラトー電圧）を確立した。
• 定期的なビームテスト（例：2023年7月）を実施し、照射前後での性能比較を行い、老化傾向の妥当性を検証した。

Figure 1: Sketch of the GIF++ bunker with the two mechanical supports highlighted in black, internal scintillators in blue and external ones in red. The black arrow represents the direction of the muon beam. The ${}^{\text{137}}$ Cs source is also circled in green. The red lines show the aperture of

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境に配慮したHFO-1234ze/CO2ガス混合物は、長期間にわたる高背景放射線照射下でRPCの効率および信号電荷にどのような影響を及えるか？
• RQ2 HFO濃度の上昇が、RPCの運用電圧範囲および大信号汚染に与える影響は何か？
• RQ3 放射線照射が、環境に配慮したガス混合物を用いたRPCのダーク電流および吸収電流の安定性に時間経過とともに及える影響は何か？
• RQ4 高背景条件下において、HFOの存在が標準ガス混合物と比較して検出器の効率にどの程度低下をもたらすか？
• RQ5 環境に配慮したガス混合物を用いたRPCの性能劣化は、放射線線量およびガス組成と相関づけて定量的に評価可能か？

主な発見

• HFO-1234ze/CO2混合物を用いたRPCのプラトー効率は、最高の照射条件下で1–2%の標準ガス混合物と比較して4–8%低下した。
• HFO濃度が10%上昇するごとに、約1 kVの電圧上昇（WP）が見られ、完全効率を達成するためにはより高い電圧が必要であることが示された。
• HFOベースの混合物では、電圧上昇に伴い大信号電荷を示すイベントの割合が急激に上昇し、効率が95%を超える範囲および大信号汚染が5%未満である範囲の有用な運用電圧範囲が狭まった。
• 約12か月間の照射にわたって、照射下の吸収電流は安定しており、ECO2（35/50 HFO/CO2）混合物の長期的電流安定性が良好であることが示された。
• オーム成分のダーク電流は時間経過でほとんど変化がなく、一方で合計ダーク電流にはより大きな変動が見られたことから、放射線照射下での表面または材料的要因の影響が示唆された。
• 2023年7月に実施中のビームテストは、照射前後での性能比較を目的としており、老化傾向の確認および長期的挙動の妥当性を検証する結果が得られると予想される。

Figure 2: Hit time profile obtained with the ALICE RPC when flushed with the STD gas mixture at 90% efficiency. Left panel: source-off condition. Right panel: highest possible (irradiatior fully opened) $\gamma$ background condition