[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究评估了在CERN伽马辐照设施长期辐照条件下，使用环保型气体混合物——特别是HFO-1234ze和CO2——替代传统高GWP气体在电阻板室（RPCs）中的表现。初步结果显示，经过12个月辐照后电流响应保持稳定，高本底条件下效率降低4–8%，且由于大信号干扰增加，环保型混合气体的操作电压窗口有所缩小。

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.

研究动机与目标

• 评估使用低全球变暖潜能值（GWP）环保型气体混合物的RPC在长期运行中的性能及老化效应。
• 在大型强子对撞机（LHC）使用的RPC中，用HFO-1234ze（GWP 1430）和SF6（GWP 22800）等高GWP气体的替代品。
• 评估HFO-1234ze与CO2混合气体在高本底辐照条件下作为RPC运行可持续替代方案的可行性。
• 支持CERN及欧盟在粒子物理探测器中对氟化绿house气体（F-GHGs）的逐步淘汰目标。
• 为未来在高亮度LHC（HL-LHC）升级中的部署提供数据支持。

提出的方法

• 在CERN伽马辐照设施（GIF++）中，对具有不同气隙厚度、电子学配置和几何结构的多个RPC进行运行测试。
• 使用HFO-1234ze（C3H2F4）与CO2以不同浓度混合（例如35/50 HFO/CO2）作为C2H2F4/SF6混合气体的环保型替代品。
• 利用137Cs源开展长期辐照实验，以模拟HL-LHC中预期的高本底条件。
• 在约1年内持续监测吸收电流、暗电流及欧姆分量，以评估稳定性与老化效应。
• 在辐照前逐步提高本底率进行束流测试，以建立基线性能（效率、电荷谱、平台电压）。
• 定期进行束流测试（例如2023年7月），以对比辐照前后的性能，验证老化趋势。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 在长期高本底辐照条件下，环保型HFO-1234ze/CO2气体混合物对RPC效率和信号电荷有何影响？
• RQ2 增加HFO浓度对RPC操作电压窗口及大信号干扰程度有何影响？
• RQ3 辐照如何随时间影响使用环保型气体混合物的RPC中暗电流与吸收电流的稳定性？
• RQ4 与标准气体混合物相比，HFO的存在在高本底条件下在多大程度上降低了探测器的效率？
• RQ5 是否可以量化环保型混合气体RPC的性能退化，并将其与辐照剂量及气体组成相关联？

主要发现

• 在最高辐照条件下，使用HFO-1234ze/CO2混合气体的RPC平台效率降低了4–8%，而标准气体混合物仅降低1–2%。
• 每增加10%的HFO浓度，工作电压（WP）约增加1 kV，表明需提高电压才能实现完全效率。
• 在基于HFO的混合气体中，大信号电荷事件的比例随电压升高而更急剧上升，导致效率超过95%且大信号干扰低于5%的有用操作电压范围缩小。
• 在约12个月的辐照暴露期间，吸收电流保持稳定，表明ECO2（35/50 HFO/CO2）混合气体具有良好的长期电流稳定性。
• 欧姆分量的暗电流随时间变化极小，而总暗电流则表现出更多波动，表明辐照下可能存在表面或材料效应。
• 2023年7月的束流测试仍在进行中，用于对比辐照前后的性能，预计结果将确认老化趋势并验证长期行为。

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