[논문 리뷰] 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. Laptin외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 07. 28.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 HERA-B 실험의 고속 도수 뮤온 검출기에서 사용하기 위한 Ar/CF₄/CH₄ 및 Ar/CF₄/CO₂ 기체 혼합물의 성능을 평가하며, 방사선 조건 하에서의 노화 특성을 중심으로 다룬다. X선에 의한 노화는 낮았지만, 100 MeV 알파 입자에 의한 노화는 100배 이상 빠르게 나타나, 고이온화 환경에서 Ar/CF₄/CH₄ (74:20:6) 혼합물은 사용이 불가능해졌으며, 이는 노화가 총 투과 전하량 뿐 아니라 방사선 유형에 따라 크게 영향을 받음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고방사선 환경의 HERA-B 뮤온 검출기에서 사용 가능한 안정적이고 빠른 기체 혼합물을 규명하기 위해.
• 다양한 방사선 원천과 조건 하에서 Ar/CF₄ 기반 혼합물의 노화 거동을 평가하기 위해.
• 소규모 실험실 테스트에서의 노화 데이터가 대면적 검출기 운영으로의 외삽이 가능한지 판단하기 위해.
• 방사선 유형, 총 전하량, 운영 조건이 기체 챔버 수명에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• Fe-55 X선과 100 MeV 알파 입자를 사용하여 알루미늄 비례선실에서 노화 테스트를 수행하였다.
• 방사선 조사 후 기체 이득 손실과 표면 조성 변화를 SEM/EDS 분석을 통해 측정하였다.
• 동일한 총 전하량에서 X선과 알파 입자 조사 간의 노화 속도를 비교하였다.
• 제어된 조건 하에서 Ar/CF₄/CH₄ (74:20:6), Ar/CF₄/CH₄ (67:30:3), 및 Ar/CF₄/CO₂ (65:30:5) 혼합물을 사용하였다.
• 고체 전극과 애노드 표면 조성을 분석하여 고분자 침전물과 도전성 '와이어'의 존재 여부를 확인하였다.
• 노화된 챔버에 새로운 애노드를 사용하여 분해 전압 테스트를 실시하여, 양극과 음극의 노화 영향을 분리 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 총 전하량에서 Ar/CF₄/CH₄ 및 Ar/CF₄/CO₂ 혼합물에 대해 Fe-55 X선과 100 MeV 알파 입자에 의한 노화 속도는 어떻게 달라지나?
• RQ2 소면적 실험실 조사에서의 노화 데이터는 고도수 환경에서 대면적 검출기 운영으로 신뢰성 있게 외삽 가능한가?
• RQ3 방사선 유형과 입자 에너지는 선 표면에 도전성 침전물 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 Ar/CF₄/CH₄ (74:20:6) 혼합물은 X선에선 낮은 노화를 보였지만, 알파 조사에선 빠른 노화를 보이는가?
• RQ5 irradiated area 크기와 수분 농도와 같은 운영 조건은 노화 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 동일한 총 전하량에서 100 MeV 알파 입자에 의한 노화 속도는 Fe-55 X선에 비해 두 개 이상의 주기 이상 빠르며, 이는 방사선 유형이 핵심 요소임을 시사한다.
• Ar/CF₄/CH₄ (74:20:6) 혼합물은 알파 조사 조건에서 빠른 노화를 보였으며, 이는 X선에선 낮은 노화를 보였음에도 불구하고 HERA-B 뮤온 검출기에서의 사용이 불가능해졌다.
• 알파 조사 후 애노드 선에 도전성 '와이어'가 형성되었으며, 이는 탄소 농도가 높고 고분자 유사한 침전물로, 이온 빔에 의한 수소 제거로 인한 것으로 추정된다.
• SEM/EDS 분석을 통해 선과 음극 표면에 탄소와 불소 침전이 확인되었으며, 280 mC/cm 조사 후 음극 표면은 알루미늄 기반으로 80% 이상이며 탄소와 산소의 미세 함량이 존재하였다.
• 노화된 음극을 새로운 애노드와 조합하여 분해 전압 테스트를 실시한 결과, 분해 무릎 전압이 높아졌으며, 이는 음극 표면의 침전물이 노화로 인한 방전에 크게 기여함을 시사한다.
• 이 연구는 노화가 총 전하량만으로 예측할 수 없으며, 실제 검출기로의 외삽은 방사선 조건이 일치하지 않는 한 신뢰할 수 없다고 결론 내린다.