[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究评估了Ar/CF₄/CH₄与Ar/CF₄/CO₂气体混合物在HERA-B实验高流强μ子探测器中的应用，重点关注辐射下的老化行为。尽管X射线照射下老化程度较低，但在100 MeV α粒子照射下老化速率超过100倍，因此排除了Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物在高电离环境中的使用，强调老化行为对辐射类型极为敏感，而不仅取决于总电荷沉积量。

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.

研究动机与目标

• 确定适用于HERA-B μ子探测器高辐射环境下比例丝室的稳定、快速气体混合物。
• 评估Ar/CF₄基混合物在不同辐射源和条件下的老化行为。
• 确定小规模实验室测试的老化数据是否可可靠外推至大面积探测器运行。
• 研究辐射类型、总电荷量及运行参数对气体室寿命的影响。

提出的方法

• 使用Fe-55 X射线和100 MeV α粒子对铝制比例丝室进行老化测试。
• 通过SEM/EDS分析测量辐照后气体增益损失及表面成分变化。
• 比较相同总电荷量下X射线与α粒子辐照的老化速率。
• 在受控条件下使用Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）、Ar/CF₄/CH₄（67:30:3）和Ar/CF₄/CO₂（65:30:5）混合物进行实验。
• 分析阴极和阳极表面成分，检测聚合物沉积物和导电“晶须”。
• 对老化后的探测器使用新阳极进行击穿电压测试，以区分阴极与阳极老化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同总电荷量下，Fe-55 X射线与100 MeV α粒子辐照对Ar/CF₄/CH₄和Ar/CF₄/CO₂混合物的老化速率有何差异？
• RQ2 小面积实验室辐照的老化数据是否可可靠外推至高流强环境下大面积探测器的运行？
• RQ3 辐射类型和粒子能量在导电沉积物形成过程中起什么作用？
• RQ4 为何Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物在α粒子辐照下表现出快速老化，尽管在X射线下老化程度较低？
• RQ5 辐照面积大小和水含量等运行参数如何影响老化速率？

主要发现

• 在相同总电荷量下，100 MeV α粒子的老化速率比Fe-55 X射线高出两个多数量级，表明辐射类型是关键影响因素。
• Ar/CF₄/CH₄（74:20:6）混合物在α粒子辐照下表现出快速老化，因此被排除在HERA-B μ子探测器应用之外，尽管其在X射线下老化程度较低。
• α粒子辐照后，阳极线上形成导电“晶须”，经鉴定为富含碳的类聚合物沉积物，可能由离子轰击去除氢所致。
• SEM/EDS分析证实，导线和阴极表面存在碳和氟的沉积，经280 mC/cm辐照后，阴极表面铝含量超过80%，并含有碳和氧的微量成分。
• 当使用老化阴极与新阳极配对时，击穿膝点电压升高，表明阴极表面沉积物显著贡献于老化引起的放电。
• 研究结论认为，老化行为无法仅通过总电荷量预测，且在未匹配辐射条件的情况下，从小规模测试外推至真实探测器是不可靠的。