[논문 리뷰] 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. Ramos외 56명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 29.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 CERN의 감마 방사선 시설에서 장기적인 방사선 조사 조건 하에서 기존의 고 GWP 가스를 대체하기 위해 친환경성 가스 혼합물—특히 HFO-1234ze와 CO2—을 저항판 침전실(RPCs)에 적용한 성능 평가를 수행한다. 초도 결과는 12개월 간의 방사선 조사 동안 안정적인 전류 응답을 보였으며, 고배경 조건에서 효율성이 4–8% 감소했고, 대량 신호 오염 증가로 인해 친환경 혼합물의 작동 전압 범위가 좁아졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저온도성 가스 혼합물의 장기적 성능 및 노후화 영향 평가를 위한 목적이며, GWP가 낮은 친환경성 가스 혼합물의 사용을 위한 기초 자료를 제공한다.
• LHC에서 사용되는 고 GWP 가스인 C2H2F4(GWP 1430) 및 SF6(GWP 22800)를 대체하기 위한 목적이며, RPC에서의 지속 가능성 확보를 목표한다.
• HFO-1234ze와 CO2 혼합물이 고배경 방사선 조건에서의 RPC 운영에 있어 지속 가능한 대체재로 가능한지를 평가하기 위한 목적이며, 장기적 안정성과 성능을 검증한다.
• 입자물리 실험기기에서 플루오린을 포함한 Green Greenhouse 가스(F-GHGs)의 단계적 감축 목표를 지원하기 위한 목적이며, CERN 및 유럽연합의 정책 이행을 위한 기초 자료를 제공한다.
• High-Luminosity LHC(HL-LHC) 개조 사업에 미래에 적용 가능한 데이터 확보를 위한 목적이며, 장기적 성능 예측 및 기술적 타당성 검토를 위한 기초 자료를 제공한다.

제안 방법

• CERN 감마 방사선 시설(GIF++)에서 다양한 가스 간극 두께, 전자기기 및 기하학적 형상의 다수의 RPC를 운영하여 실험한다.
• C2H2F4/SF6 혼합물의 대체재로 HFO-1234ze(C3H2F4)를 CO2와 다양한 비율(예: 35/50 HFO/CO2)로 혼합하여 친환경적 대체재로 사용한다.
• HL-LHC에서 예상되는 고배경 조건을 시뮬레이션하기 위해 137Cs 원천을 이용한 장기적 방사선 조사 캠프에 참여한다.
• 약 1년 간의 방사선 조사 동안 흡수 전류, 어둠의 전류, 옴 전류 성분을 모니터링하여 안정성 및 노후화 영향을 평가한다.
• 방사선 조사 이전에 배경 레이트를 점차 증가시키며 빔 테스트를 실시하여 기준 성능(효율성, 전하 스펙트럼, 평탄한 전압 영역)을 확립한다.
• 정기적인 빔 테스트(예: 2023년 7월)를 통해 방사선 조사 전후의 성능을 비교하고, 노후화 경향을 검증한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 친환경성 HFO-1234ze/CO2 가스 혼합물은 장기적인 고배경 방사선 조건에서 RPC의 효율성과 신호 전하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 HFO 농도가 증가할수록 RPC의 작동 전압 범위와 대량 신호 오염에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 방사선 조사가 친환경성 가스 혼합물을 사용하는 RPC에서 어둠의 전류 및 흡수 전류의 안정성에 시간에 따라 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고배경 조건에서 HFO 존재 시 표준 가스 혼합물 대비 검출기의 효율성이 얼마나 감소하는가?
• RQ5 친환경 혼합물 사용 시 RPC 성능 열화 정도를 방사선 조사량과 가스 조성과 연관지어 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• HFO-1234ze/CO2 혼합물 사용 RPC의 평탄한 효율성은 최고 방사선 조건에서 표준 가스 혼합물 대비 4–8% 감소했으며, 표준 혼합물은 1–2% 감소했다.
• HFO 농도가 매 10% 증가할 때마다 작동 전압(WP)이 약 1 kV 증가했으며, 이는 전체 효율성을 확보하기 위해 높은 전압이 필요함을 시사한다.
• HFO 기반 혼합물에서는 전압 증가에 따라 대량 신호 전하를 갖는 사건 비율이 더 급격히 증가했으며, 이는 효율성이 95% 이상이고 대량 신호 오염이 5% 이하인 유용한 작동 전압 범위가 좁아짐을 의미한다.
• 약 12개월 간의 노출 기간 동안 방사선 조사 하에서 흡수 전류는 안정적으로 유지되었으며, 이는 ECO2(35/50 HFO/CO2) 혼합물의 양호한 장기적 전류 안정성을 시사한다.
• 어둠의 전류의 옴 성분은 시간에 따라 최소한의 변화를 보였지만, 총 어둠의 전류는 더 큰 변동성을 보였으며, 이는 방사선 조건 하에서 표면 또는 재료적 영향이 있을 수 있음을 시사한다.
• 2023년 7월에 실시된 빔 테스트는 아직 진행 중이며, 방사선 조사 전후의 성능을 비교하여 노후화 경향을 확인하고 장기적 거동을 검증할 예정이다.

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