РАБОЧАЯ ГАЗОВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРОВОЛОЧНЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ КАМЕР - ДЕТЕКТОРОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2020 года по МПК G01T1/18 H01J47/00 C01B23/00 

Изобретение относится к экспериментальной физике, а именно к газовым смесям проволочных газоразрядных камер - детекторам заряженных частиц. К этому типу детекторов принадлежат многопроволочные пропорциональные камеры, дрейфовые камеры и пропорциональные счетчики, работающие на газовых смесях из аргона - Ar, углекислого газа - СО₂ и тетрафторметана углерода фреона - CF₄.

Проволочные газоразрядные камеры - детекторы заряженных частиц, используются, практически, во всех экспериментальных установках современной ядерной физики, физики высоких энергий и медицинской физики. Конструктивно эти детекторы представляют собой две плоскости катодных электродов и помещенную посередине между ними плоскость анодных проволочек. Внутренний объем детекторов заполнен рабочей газовой смесью. К зазорам между анодной и катодными плоскостями прикладывается высокое напряжение. Заряженная частица, проходя через газовый объем детектора, образует трек ионизации, состоящий из электрон-ионных пар. Электроны трека дрейфуют в электрическом поле детектора к анодной проволочке. Вблизи поверхности проволочки электроны в сильном электрическом поле образуют газоразрядную лавину. Процессы развития газоразрядных лавин и последующего формирования ионами лавины индуцированного сигнала, который регистрируются электроникой, схожи во всех газоразрядных камерах.

Рабочая газовая смесь является важнейшим элементом, определяющим надежность функционирования проволочных газоразрядных камер и происходящие в них лавинные процессы. От состава газовой смеси зависят рабочие характеристики детектора при работе в радиационном поле: амплитуда сигнала при регистрации частицы, определяемая коэффициентом усиления электронов в лавине (КГУ), и длительность эксплуатации, которая зависит от процессов образования осадков в рабочем объеме - эффекта старения электродов.

Именно, составом рабочей газовой смеси проволочных газоразрядных камер определяется экологический вред ее выброса в атмосферу.

Для оценки степени радиационного воздействия в проволочных газоразрядных камерах используется величина полного заряда электронов, прошедших через анодные проволочки, нормированная на длину облучаемых проволочек. Далее по тексту эта величина называется - аккумулированный заряд (Кулон на 1 см длины проволочки - Кл⋅см^-1). Очевидно, что аккумулированный заряд пропорционален времени облучения детектора и величине КГУ электронов в рабочей газовой смеси.

Типичный состав рабочей газовой смеси современных проволочных газоразрядных камер включает в себя аргон - Ar, углекислый газ - СО₂ и фреон тетрафторметан углерода - CF₄ (марка R14, где R - Refrigerant) [1] (М. Capeans, Aging and Materials: lessons for Detectors and Gas Systems. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2003. V. 515. P. 73), [2] (J.Va'vra, Physics and chemistry of aging - early developments. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2003. V. 515. P. 1-14).

Инертный газ аргон - основная компонента рабочей газовой смеси, которая обеспечивает высокую первичную ионизацию и эффективность регистрации частиц. Аргон позволяет получить достаточно большой (до 1×10⁵) коэффициент газового усиления числа электронов при развитии лавины у анодной проволочки, так как обладает нулевым сродством с электронами.

Проблемой использования аргона является испускание возбужденным атомом Ar* фотона с энергией 11.5 эВ, который способен вызвать фотоионизацию газа или вторичную ионизацию на металлическом катоде и, таким образом, стать причиной ложных срабатываний детектора. Для подавления влияния фотоэффекта в состав рабочей газовой смеси вводят гасящую добавку. В качестве такой добавки обычно используется многоатомный газ, обладающий свойствами поглощения ультрафиолетовых фотонов. Такими свойствами обладают газы - неорганические соединения СО₂ и CF₄, которые входят в состав рабочей газовой смеси.

Однако, основным назначением CF₄ в составе рабочей газовой смеси является его способность обеспечивать радиационную стойкость детектора, то есть необходимое для эксперимента время жизни детектора в интенсивном радиационном поле. Сохранение работоспособности детектора зависит от скорости процессов старения, происходящих при его облучении в работе. Эти процессы обусловлены взаимодействием газовой смеси и продуктов ее диссоциации в лавине с парами кремниевых соединений и углеводородов, которые выделяются в газовый объем различными элементами конструкции, что ведет к образованию осадков на электродах.

Благодаря диссоциации CF₄, в лавине у анодной проволочки образуется большое количество свободных химически активных радикалов F^•, CF₂^•, CF₃^•, которые прерывают процессы полимеризации примесных соединений кремния или углеводородов в газе. В результате предотвращается последующее образование осадков на электродах, приводящее к деградации рабочих характеристик и выходу детектора из строя [1, 2].

Концентрация CF₄ в газовых смесях различных проволочных газоразрядных камер обычно варьируется от 5% до 30% объемных единиц от общего состава. Благодаря наличию CF₄ в газовой смеси устраняется:

- падение коэффициента газового усиления из-за образования осадков на анодных проволочках, которое приводит к уменьшению амплитуды сигнала и, как следствие, ухудшению эффективности регистрации частиц;

- появление микропробоев в газовом объеме, повреждающих регистрирующую электронику;

- рост темнового тока, связанный с эмиссией электронов с поверхностей электродов, загрязненных полимерными осадками.

В ближайшие годы дальнейшее применение Ar/CO₂/CF₄ газовых смесей, описанных выше, станет невозможным из-за уже принятых в мире ограничений выброса в атмосферу техногенных газов. Оказалось, что длительная эксплуатация проволочных газоразрядных камер с подобными газовыми смесями приводит к усилению парникового эффекта на планете [3] (((Regulation (EU) №517/2014 of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases», The European Parlament and the Council of the European Union, technical report, EU, 2014), [4] (Yang D. et al. // CERN-OPEN-2015-004, 02 May 2015). Самой опасной газовой компонентой в этом отношении является CF₄, один килограмм которого в атмосфере имеет потенциал парникового эффекта (GWP - Global Warming Potential), эквивалентный 7390 кГ углекислого газа СО₂ и сохраняется в атмосфере 50000 лет. Для сравнения, время жизни в атмосфере СО₂ составляет 50-100 лет.

Но, простое исключение CF₄ из газовых смесей детекторов приведет к потере ими радиационной стойкости. Именно по этим причинам CF₄ продолжает широко использоваться в детекторах ядерной физики и физике высоких энергий, и, вместе с тем, ведется поиск новых, экологически безопасных, компонент рабочей газовой смеси для его замены.

Известна рабочая газовая смесь, содержащая 65%Ar+30%СО₂+5%CF₄, для многопроволочных пропорциональных камер (МПК), работавших в составе магнитного спектрометра эксперимента HERMES [5] (A. Andreev et al., Multiwire proportional chambers in the HERMES experiment. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2001. V. 465. P. 482-49). Ha сегодняшний день - это рабочая смесь с наименьшим содержанием фреона CF₄ среди использовавшихся в экспериментах. Соответственно, ее воздействие на атмосферу близко к минимальному по сравнению со смесями, где содержание CF₄ выше.

В составе экспериментальной установки HERMES эти камеры с газовой смесью, содержащей 5% CF₄, проработали более 13.5 лет. 6 модулей по 3 МПК были смонтированы между полюсами магнита спектрометра. Из-за отсутствия системы рециркуляции (замкнутый цикл подачи газа с очисткой и обновлением) газовая смесь через пропорциональные камеры продувалась со скоростью 1.5 литра в минуту. При общем объеме всех модулей МПК ~ 60 литров такой продув обеспечивал смену 36-ти рабочих объемов МПК в день. Это приводило к выбросу в атмосферу 2.16 м³×5%=0.11 м³ или, с учетом плотности - ρ_CF4=3.65 г/л (грамм на литр), ~ 0.4 кг газа CF₄, что эквивалентно 2.95 тонн углекислого газа ежедневно. В итоге, суммарный выброс CF₄ в эксперименте HERMES за год в единицах GWP эквивалентен 1077 тонн СО₂, что сопоставимо с годовым выбросам от 100 автомобилей. Но необходимо снова добавить, что в отличие от углекислого газа, фреон CF₄ (марка R14, где R - Refrigerant) практически не разлагается в атмосфере. Таким образом, газовая смесь 65%Ar+30%СО₂+5%CF₄ экологически все же не безопасна и поэтому нежелательна для дальнейшего применения в долговременных экспериментах.

Кроме того, как показал опыт эксплуатации многопроволочных пропорциональных камер в HERMES, рабочая газовая смесь, включающая только 5% CF₄, не обеспечила полную защиту детекторов от старения, несмотря на высокую частоту сменяемости рабочих газовых объемов за день - 36. После аккумулирования анодными проволочками МПК заряда ~20 мКл⋅см^-1 (миликулон на сантиметр длины анодной проволочки) на 7-й год работы в эксперименте в нескольких камерах было обнаружено появление спонтанного самоподдерживающегося тока, превышающего ток пучка в десятки раз (Мальтеровский эффект). Одновременно в этих же МПК произошло падение амплитуды сигнала на ~10%, вызванное уменьшением КГУ [6] (S. Belostotski et al., Extension of the operational lifetime of the proportional chambers in the HERMES spectrometer. // Nucl. Instr. Meth. A. 2008. V. 591. P. 353-366), что привело к падению эффективности камер при регистрации частиц на 3-5%. Появление большого спонтанного тока приводило к необходимости выключения МПК при работе в эксперименте.

Таким образом, содержание фреона CF₄ в газовой смеси на уровне 5% не всегда может обеспечить требуемую радиационную стойкость в эксперименте. Для преодоления эффектов старения, вызванных малым содержанием CF₄, и, как следствие, образованием осадков на проволочках, в эксперименте потребовалась модернизация газовой системы [6].

Прототипом рабочей газовой смеси, предлагаемой в изобретении, является газовая смесь 40%Ar+50%CO₂+10%CF₄, использованная в многопроволочных пропорциональных камерах с катодными стрипами (CSC - Cathode Strip Chambers) в составе мюонной системы CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) [7] (D. Acosta et al., Aging tests of full-scale CMS muon cathode strip chambers // Nucl. Instr. Meth. A. 2003. V. 515. P. 226-233).

Рабочая газовая смесь-прототип была испытана на обеспечение радиационной стойкости двух полномасштабного модулей CSC, состоящих из шести плоскостей многопроволочных пропорциональных камер, еще при подготовке к работе эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере в 2000-2001-м году. Аккумулированный тестируемой плоскостью МПК заряд составил Q≈400 мКл⋅см^-1, что эквивалентно длительности работы камеры в условиях БАК ~40 лет. КГУ на всех ее 600-х анодных проволочках (общая длина облученных проволочек 700 м) остался постоянным на уровне 7×10⁴, а темновой ток, измеренный с одной анодной проволочки, вырос с ~ 2 нА (или 1.7 нА⋅м^-1) до ~50 нА (или 43 нА⋅м^-1), что никак не повлияло на работоспособность CSC. КГУ осталось постоянным на уровне 10%. Не было обнаружено появление больших спонтанных самоподдерживающихся токов. За 10 лет эксплуатации CSC на БАК ее рабочая смесь-прототип обеспечила стабильность указанных выше характеристик камеры (постоянство амплитуды сигнала и низкий темновой ток), на том же уровне, что и в ходе ресурсных испытаний до начала работы на БАК [7].

Для обеспечения требуемых рабочих характеристик и радиационной стойкости в камерах CSC строго контролируется состав рабочей газовой смеси. С целью защиты рабочей газовой смеси от примесей в рабочем объеме система газового обеспечения работает по схеме рециркуляции с эффективностью 90%. При каждой смене объема 10%) рабочей газовой смеси заменяется в системе на чистую смесь из внешней линии снабжения. Таким образом, из рабочего объема камер CSC удаляются пары насыщения материалов конструкции и полимерные соединения, образовавшиеся в газе в результате газоразрядных реакций у анода.

Общий газовый объем камер CSC, из которых состоит мюонная система, составляет 90 м³. По линии газового снабжения со скоростью 2 объема в день в камеры подается рабочая газовая смесь. Общее потребление газа в CSC за день, равно 180 м³. Для минимизации расхода дорогостоящего фреона CF₄ (сегодня ~70 долларов за 1 кГ) и, вместе с тем, для уменьшения его опасных выбросов в атмосферу в CMS создана специальная система извлечения (рекуперации) CF₄ из отработавшей рабочей газовой смеси. Эффективность этой системы составляет ~75%. Таким образом, с учетом рециркуляции и рекуперации газовой смеси-прототипа 40%Ar+50%CO₂+10%CF₄ 3a день в атмосферу газовая система CSC выбрасывает 180 м³×10%×10%×25%=0.45 м³ или 1.6 кГ фреона CF₄, что эквивалентно 12 тоннам углекислого газа. В единицах GWP годовой выброс CF₄ составляет ~4427 тонн СО₂, что равно выбросам от 1000 автомобилей (~4700 т). В итоге, несмотря на предпринятые усилия, можно заключить, что рабочая газовая смесь мюонной системы CMS, содержащая 10%CF₄, является мощным техногенным источником загрязнения атмосферы.

Технический эффект изобретения: обеспечение экологической безопасности газовых выбросов в атмосферу при достижении рабочих характеристик детекторов, работающих на газовой смеси-прототипе.

Задача изобретения: создание новой рабочей газовой смеси для проволочных газоразрядных камер - детекторов заряженных частиц для достижения технического эффекта.

Технический эффект достигается тем, что создана рабочая газовая смесь для проволочных газоразрядных камер - детекторов заряженных частиц, содержащая следующие газовые компоненты: аргон, углекислый газ и фреоновый компонент, в которой новым является то, что в качестве фреонового компонента использован аллотроп тетрофлюоропропана CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄), коммерческое название HFO_1234ze, при следующем соотношении компонентов в смеси: аргон - 40%, аллотроп тетрофлюоропропана CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄), - 2%, углекислый газ - 58%.

Известно, что CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄) - HFO_1234ze (далее в тексте HFO_1234ze) при выбросе в атмосферу распадается на безопасные побочные продукты и является негорючим в нормальных условиях. Входящие в состав продуктов распада радикалы F^• взаимодействуют с парами воды, образуя соединения HF, которые затем выпадают с дождем и минерализуются без дополнительного воздействия на озоновый слой и атмосферу. Поэтому для HFO_1234ze коэффициент GWP_HFO=6, а время сохранения в атмосфере составляет менее года [8] (Javadiet M.S. et al. // Atmos. Chem. Phys. Discussions. 2008. V. 8. P. 3141-3147. www/atmos-chem-phys.net/8/3141/2008/). Для сравнения GWP_CF4=7390 и время сохранения в атмосфере 50000 лет!

Проблемой использования HFO_1234ze в составе рабочей трехкомпонентной газовой смеси проволочных газоразрядных камер является то обстоятельство, что изначально этот газ был разработан и предназначен для систем кондиционирования в автомобилях и установок охлаждения продуктов в магазинах.

Поэтому совсем не очевидна целесообразность его применения в трехкомпонентных рабочих газовых смесях детекторов частиц, где происходят различные физические, химические и радиационные процессы (о которых написано выше). Неизвестно, достаточна ли степень диссоциации этого газа, и какова должна быть его концентрация, чтобы образовать необходимое количество свободных химически активных радикалов F^•, CF₂^•, CF₃^•, которые прерывают процессы полимеризации примесных соединений кремния или углеводородов в газе и, таким образом, тормозят процессы старения в проволочных газоразрядных камерах. То есть, возможно ли, заменив в рабочей газовой смеси-прототипе компоненту CF₄ на HFO_1234ze, сохранить рабочие характеристики и обеспечить необходимую радиационную стойкость проволочной газоразрядной камеры в интенсивном радиационном поле.

Следующей проблемой применения HFO_1234ze в трехкомпонентной газовой смеси является отсутствие данных о его сечениях ударной ионизации электронов в лавине и сечениях прилипания электронов при дрейфе в этом фреоне. Поэтому, практически, исключается возможность Монте-Карло моделирования свойств новой газовой смеси и оптимизация ее состава для использования в газоразрядных камерах. Оценить величину КГУ и рабочую точку по напряжению в газовой смеси, содержащей HFO_1234ze, расчетными способами невозможно.

Единственным способом выбора процентного состава предлагаемой в изобретении экологически безопасной газовой смеси и оценки применимости ее для достижения рабочих характеристик детекторов, работающих на газовой смеси-прототипе, является экспериментальное исследование.

Апробация предложенной рабочей газовой смеси выполнена на опытном образце многопроволочной катодной стриповой камеры, (далее по тексту «опытный образец камеры»), аутентичной многопроволочной катодной стриповой камере мюонной системы CMS [7]. Опытный образец камеры имеет уменьшенные внешние габариты и идентичную камере CSC структуру электрического поля в рабочем объеме. Образец выполнен по технологии многопроволочных камер CSC из тех же материалов и на том же производственном участке, где они изготавливались для эксперимента CMS.

На фиг. 1 представлена схема опытного образца камеры, которая состоит из 3-х прямоугольных катодных панелей из фольгированного поликарбоната размерами 30×30 см², которые разделены двумя зазорами по 0.9 см. В зазоры подается рабочая газовая смесь. Буквами внутри окружностей от А до I на катодной панели обозначены углубления - контрольные точки, где размещался источник рентгеновских фотонов ⁵⁵Fe, который использовался для контроля постоянства амплитуд сигналов по площади опытного образца камеры. Центральное углубление в точке Е использовалось как для контроля амплитуд сигналов, так и для позиционирования источника электронов ⁹⁰Sr при длительном облучении в ходе испытаний газовой смеси изобретения на радиационную стойкость. Сетка анодных проволочек диаметром 50 мкм из позолоченного вольфрама находится посередине между катодными плоскостями. Шаг проволочек составляет 0.3 см. На фиг. 1 анодные проволочки в контрольных точках показаны пересекающими прямыми линиями. С них измерялась амплитуда сигнала. Две проволочки расположены по краям анодной сетки вне зоны облучения (первая проходит через контрольные точки GHI, вторая ABC), и две проволочки проходят через зону облучения в контрольной точке Е.

На фиг. 2 представлены зависимости КГУ от высокого напряжения HV, В при н. у. для газовых трехкомпонентных смесей: 1 - газовая смесь-прототип: 40%Ar+50%СО₂+10%CF₄; 2 - газовая смесь с концентрацией 2%HFO_1234ze в составе: 40%Ar+58%СО₂+2%HFO_1234ze; 3 - газовая смесь с концентрацией 3%HFO_1234ze в составе: 40%Ar+57%СО₂+3%HFO_1234ze.

На фиг. 3 представлены зависимости темновых токов анодной плоскости опытного образца от аккумулированного заряда Q, мКл⋅см^-1, измеренные для напряжений: 3750 В - кривая 4, 3950 В - кривая 5 и 4000 В - кривая 6. Диапазон приложенных в опытном образце напряжений HV обеспечивает в газовой смеси-прототипе КГУ от 3×10⁴ до 9×10⁴, то есть, практически, перекрывает всю рабочую область КГУ, которая используется в проволочных газоразрядных камерах.

На фиг. 4 показаны зависимости изменения КГУ в относительных единицах от аккумулированного в опытном образце заряда (Q, мКл⋅см^-1). КГУ представлено, как отношение положения пика спектра амплитуд сигналов текущего измерения к такой же величине в начале измерений, когда Q=0.0 мКл⋅см^-1. Кривые 7 и 8 измерены на проволочках, удаленных на ~ 8 см от зоны облучения, в точках В и Н на рисунке 1. Кривая 9 измерена в контрольной точке Е с проволочек, которые проходят через центр зоны облучения, как показано на фиг. 1.

Скорость продува газа через опытный образец обеспечивала смену 3-х рабочих объемов в день, что по величине близко к 2-х кратной смене объемов смеси-прототипа в камерах CSC, как в эксперименте CMS на БАК, так и при испытаниях на радиационную стойкость. Это позволяет считать условия обновления (очистки) рабочей газовой смеси в опытном образце камеры сопоставимыми с условиями в полномасштабном модуле CSC [7].

Процедура апробации рабочей газовой смеси изобретения состояла из двух этапов. Первый - выбор оптимального состава газовой смеси, при котором необходимый рабочий уровень газового усиления 5-6×10⁴ в опытном образце камеры обеспечивается при высоком напряжении, близком по величине к напряжению в рабочей точке газовой смеси-прототипа.

Второй - ресурсное испытание на радиационную стойкость газовой смеси изобретения в опытном образце, который аутентичен по материалам конструкции и технологии изготовления камере CSC.

Первый этап:

Определение оптимального состава газовой смеси выполнено по результатам оценки КГУ методом измерения токов ионизации в опытном образце камеры от источника электронов ⁹⁰Sr с интенсивностью потока электронов ~5×10⁶ см²⋅сек^-1. Коэффициент газового усиления в исследованных газовых смесях определялся на основе вольт-амперной характеристики, как отношение значения тока в режиме газового усиления при приложенных напряжениях HV ~ -1500 - -4200 В к величине тока при полном отсутствии газового усиления на плато ионизации, когда HV ~ -100 - -400 В. Рабочая точка по напряжению для каждой газовой смеси определена как величина, при которой достигается КГУ≈6×10⁴. Такой КГУ поддерживается в смеси-прототипе при работе камер CSC на БАК при HV=-3800 В (величина дана с учетом разницы атмосферного давления в Женеве и в Гатчине, где испытывался опытный образец камеры) [7]. Следует отметить, что КГУ в диапазоне 4×10⁴ - 6×10⁴ характерен для большинства современных проволочных газоразрядных камер. При проведении измерений КГУ опытный образец камеры поочередно продувался сначала газовой смесью-прототипом: 40%Ar+50%CO₂+10%CF₄, а затем газовыми смесями, включающими фреон HFO_1234ze: 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze, 40%Ar+57%CO₂+3%HFO_1234ze.

Поскольку во всех трех смесях именно аргон является газовой компонентой, определяющей КГУ, его содержание сохранялось постоянным на уровне 40% (как в смеси-прототипе) во всех смесях. Это позволяло оценить вклад фреона HFO_1234ze в газовое усиление.

Итак, ключевым условием применения экологически безопасной газовой смеси в современных газоразрядных камерах, является достижение уровня амплитуд сигналов соответствующего требованиям регистрирующей электроники. При этом величина высокого напряжения в рабочей точке должна находиться в пределах диапазона системы высоковольтного питания.

Фиг. 2 показывает измеренные зависимости КГУ от высокого напряжения HV. Кривая 1 представляет зависимость КГУ для газовой смеси-прототипа, которой продувался опытный образец. Как и в работе [7], рабочая точка в этом случае достигается при HV=-3800 В. Кривые 2 и 3 на фиг. 2 смещены относительно кривой 1 в область больших напряжений. Рабочие точки (КГУ ~ 6×10⁴) по напряжению в газовых смесях 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze (кривая 2) и 40%Ar+57%CO₂+3%HFO_1234ze (кривая 3) достигаются при высоком напряжении -3850 В и -3950 В, соответственно. Эти величины HV на 50 В (при 2% HFO_1234ze) и на 150 В (при 3% HFO_1234ze) выше, чем в газовой смеси-прототипе. То есть, добавление в газовую смесь только нескольких процентов HFO_1234ze заметно смещает значение рабочей точки в область большего напряжения.

Исходя из полученных данных, для дальнейших ресурсных исследований опытного образца была выбрана газовая смесь 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze с рабочей точкой по напряжению HV=-3850 В, которая менее всего отличается от рабочей точки газовой смеси-прототипа. По смещению кривых на фиг. 2 видно, что увеличение содержания фреона HFO_1234ze в рабочей газовой смеси выше 2% может привести к подъему напряжения до > 4000 B в рабочей точке. В результате чего, значительно возрастет риск возникновения больших токов утечки по поверхности в камере. Это очень нежелательно, так как сильно ужесточит требования к конструкции и к схеме подачи высокого напряжения в детектор.

Измерения в опытном образце камеры (общая длина анодных проволочек 2.8 м) зависимости темнового тока (ток в камере в отсутствие внешнего источника облучения) от напряжения для каждой исследуемой смеси продемонстрировали в рабочей точке одинаковую величину ~2 нА. В пересчете на единицу длины проволочки эта величина составляет около 0.7 нА⋅м^-1, что в более, чем в 2 раза меньше такой же величины при испытаниях камер CSC и объясняется разницей габаритов детекторов.

Таким образом, можно заключить, что газовая смесь 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze удовлетворяет требованиям регистрирующей электроники камер CSC и обеспечивает в опытном образце камеры коэффициент газового усиления КГУ≈6×10⁴ при напряжении близком к рабочей точке газовой смеси-прототипа. Темновой ток в опытном образце камеры, измеренный в рабочей точке по напряжению в предлагаемой в изобретении газовой смеси, не отличается от тока с газовой смесью-прототипом: 40%Ar+60%CO₂+10%CF₄.

Следующей рабочей характеристикой газовой смеси 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze, которую необходимо выяснить, является ее способность обеспечить радиационную стойкость на уровне не хуже, чем газовая смесь-прототип. Поэтому за исходное требование принята измеренная характеристика камер CSC: при смене 2-х рабочих газовых объемов в сутки газовая смесь-прототип обеспечивает стабильный КГУ≈6×10⁴ при максимальном аккумулированном заряде Q≈400 мКл⋅см^-1, что эквивалентно длительности работы камеры CSC в условиях БАК ~ 40 лет.

Второй этап:

При испытании на радиационную стойкость опытный образец камеры облучался источником электронов ⁹⁰Sr с интенсивностью ~ 5×10⁶ см²⋅сек^-1. Скорость продува рабочей газовой смесью 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze составила сопоставимую с камерами CSC величину: 3 объема в сутки. Для контроля рабочих характеристик опытного образца камеры велся непрерывный контроль тока ионизации от источника ⁹⁰Sr. Темновой ток и амплитуды сигналов измерялись периодически, каждые 100-120 мКл⋅см^-1 накопленного заряда.

Измерения тока ионизации обеспечивали текущий контроль стабильности работы опытного образца камеры и использовались для оценки аккумулированного заряда на 1 см длины анодной проволочки в зоне облучения. Интегральный аккумулированный заряд Q_o в Кулонах (Кл) за T - полное время облучения при испытании 4×10⁶ секунд, вычислялся как сумма где Δt=600 с - время между измерениями тока, a I(t) - значение тока от источника ⁹⁰Sr в момент измерения t. Заряд на единицу длины анодной проволочки оценивался, как отношение Q=Q_o/L (Кл⋅см^-1), где L=30 см - длина анодных проволочек в области интенсивного облучения, где находится до 95% потока электронов от ⁹⁰Sr. Средняя величина тока ионизации в опытном образце камеры CSC при облучении составила ~7 мкА. Приложенное в опытном образце камеры напряжение HV=-3850 В обеспечивало КГУ≈6×10⁴. Практически, условия испытания опытного образца камеры максимально приближены к условиям эксплуатации камер CSC при работе на БАК.

В итоге, анодными проволочками в зоне облучения был аккумулировал заряд на единицу длины - Q≈1189 мКл⋅см^-1, величина которого для камер CSC в составе CMS достижима только за более, чем 100 лет работы на БАК. При этом опытный образец камеры, в основном, сохранил работоспособность.

Измерения темнового тока (ток в опытном образце камеры при отсутствии внешнего источника облучения) проводились в периоды остановок облучения для контроля рабочих характеристик детектора. Изменения темнового тока при аккумулировании заряда являются индикатором процессов, связанных с деградацией поверхности катодов и анодных проволочек из-за образования на них осадков, приводящих к росту шероховатости. Осадки могут иметь форму микропиков и приводят к эмиссии электронов с поверхности и микропробоям. Достижение темновым током величины, сравнимой с током пучка при работе в эксперименте (в камерах CSC это 500-1000 нА) может вызвать выход детектора из строя, так как «полезные события» будут тонуть в шуме ложных срабатываний проволочной газоразрядной камеры. Практически, это явление способно определять предел времени жизни (работоспособности) детектора.

На фиг. 3 приведены изменения темновых токов в опытном образце камеры с рабочей газовой смесью 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze в зависимости от аккумулированного заряда на анодных проволочках. Темновые токи измерены при трех напряжениях: 3750 В - кривая 4, 3950 В - кривая 5 и 4000 В - кривая 6, которые обеспечивают диапазон КГУ, типичный для большинства проволочных газоразрядных камер: 3×10⁴ - 9×10⁴. Все эти кривые демонстрируют нелинейный рост тока, сходный с поведением темнового тока при испытаниях камер CSC [7]. На фиг. 3 видно, что значительный рост темнового тока I_o начинается после аккумулирования заряда Q≥800 мКл⋅см^-1. Начиная с этого аккумулированного заряда величина I_o на анодной плоскости превышает 100 нА, или 33 нА⋅м^-1, что сопоставимо с максимальным темновым током, который был достигнут в ходе ресурсных испытаний смеси-прототипа в камере CSC - 43 нА⋅м^-1 при вдвое меньшем аккумулированном заряде Q≈400 мКл⋅см^-1. Далее, с ростом аккумулированного заряда, темновой ток в опытном образце камеры заметно увеличивается и достигает усредненных величин 250-300 нА при Q=1189 мКл⋅см^-1. Такой ток можно считать предельным для дальнейшей эксплуатации детектора, поскольку при его измерении наблюдались временные броски по величине в 2-3 раза.

Таким образом, экологически безопасная рабочая газовая смесь по характеристикам темнового тока способна обеспечить радиационную стойкость проволочной газоразрядной камеры вплоть до аккумулирования заряда Q≈800 мКл⋅см^-1.

Измерения динамики деградации амплитуды сигнала из-за падения КГУ в опытном образце после каждого цикла облучения проводились с помощью источника рентгеновских фотонов ⁵⁵Fe. Поочередно в контрольных точках A-I (см. фиг. 1, на катодной плоскости), постоянство КГУ оценивалась по положению пика амплитудного спектра рентгеновских фотонов. Дело в том, что в точке конверсии при поглощении фотона в аргоне образуется постоянное число первичных электронов N_e≈220, то есть амплитуда регистрируемого сигнала определяется только величиной КГУ.

На фиг. 4 представлены зависимости изменения коэффициента газового усиления в опытном образце камеры от аккумулированного заряда. КГУ приведен в относительных единицах, как отношение положений пика полного поглощения рентгеновских фотонов ⁵⁵Fe, измеренных в контрольных точках на облучаемой плоскости прототипа в ходе испытания к положению пика амплитудного спектра, измеренного до начала облучения электронами. Видно, что при длительном облучении электронами опытного образца камеры с рабочей газовой смесью 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze деградация КГУ становится заметной только при аккумулированном заряде Q≥1000 мКл⋅см^-1. Падение КГУ на уровне ≤ 15% происходит, прежде всего, на облученных проволочках, кривая 9, фиг. 4. На проволочках вне зоны облучения - кривые 7 и 8, практически, во всех точках, значения КГУ совпадают между собой с точностью ±2%.

Таким образом, падение КГУ, вызванное длительным облучением электронами, наблюдается только в зоне облучения. Это означает, что подобно смеси-прототипу в предлагаемой газовой смеси 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze, в газовом разряде у проволочек не образуется высоколетучих полимерных соединений, способных осаждаться вне зоны облучения. Радиационная стойкость новой газовой смеси без малейшей деградации КГУ составляет около 800 мКл⋅см^-1 аккумулированного заряда и совпадает с диапазоном радиационной стойкости по характеристикам темнового тока.

Выводы:

Продемонстрировано использование для проволочных газоразрядных камер экологически безопасной газовой смеси 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze.

Газовая смесь 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze обеспечивает рабочую точку по напряжению на 50 В выше по сравнению с газовой смесью-прототипом 40%Ar+50%CO₂+10%CF₄. Это делает возможным ее практическое применение с использованием существующей регистрирующей электроники и системы высоковольтного питания камер CSC.

Газовая смесь с 2%HFO_1234ze обеспечивает высокую радиационную стойкость проволочных газоразрядных камер. До аккумулирования заряда ~800 мКл⋅см^-1 в опытном образце не наблюдается ни снижения амплитуды сигнала, ни роста темнового тока. Камеры CSC мюонного трекера CMS такой аккумулированный заряд, предположительно, могут накопить за 80 лет работы на БАК, что значительно перекрывает требуемый ресурс работоспособности детектора на БАК ~ 20 лет и оцененную ранее продолжительность работы камер CSC с газовой смесью-прототипом ~ 40 лет.

Таким образом, заявляемый состав газовой смеси 40%Ar+58%CO₂+2%HFO_1234ze является экологически безопасным и концентрация 2% HFO_1234ze необходима и достаточна для достижения технического эффекта.

Источники информации:

1. М. Capeans, Aging and Materials: lessons for Detectors and Gas Systems. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2003. V. 515. P.73.

2. J. Va'vra, Physics and chemistry of aging - early developments. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2003. V. 515 P. 1-14; Review of Wire Chamber Ageing, // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 1986. V. 252 P. 547-563.

3. «Regulation (EU) №517/2014 of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases», The European Parliament and the Council of the European Union, technical report, EU, 2014.

4. Yang D. et al. // CERN-OPEN-2015-004, 02 May 2015.

5. A. Andreev et al., Multiwire proportional chambers in the HERMES experiment. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2001. V. 465. P. 482-49.

6. S. Belostotski et al., Extension of the operational lifetime of the proportional chambers in the HERMES spectrometer. // Nucl. Instrum. Meth. A. 2008. V. 591. P. 353-366.

7. D. Acosta et al., Aging tests of full-scale CMS muon cathode strip chambers // Nucl. Instrum. Meth. A. 2003. V. 515. P. 226-233.

8. Javadiet M.S. et al. II Atmos. Chem. Phys. Discussions. 2008. V. 8. P. 3141-3147. www/atmos-chem-phys.net/8/3141/2008/

Изобретение относится к экспериментальной физике, а именно к газовым смесям проволочных газоразрядных камер - детекторам заряженных частиц. Проволочные газоразрядные камеры - детекторы заряженных частиц, используются, практически, во всех экспериментальных установках современной ядерной физики, физики высоких энергий и медицинской физики. Согласно изобретению рабочая газовая смесь содержит: аргон – 40 об.%, углекислый газ – 58 об.%, аллотроп тетрофлюоропропана CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄) - 2 об.%. Отличительной особенностью является то, что в качестве фреонового компонента использован экологически безопасный фреон формулы C₃H₂F₄, который также способен обеспечить радиационную стойкость и рабочие характеристики детекторов. Технический эффект изобретения: обеспечение экологической безопасности газовых выбросов в атмосферу при достижении рабочих характеристик как у детекторов, работающих на газовой смеси-прототипе. 4 ил.

Рабочая газовая смесь для проволочных газоразрядных камер - детекторов заряженных частиц, содержащая следующие газовые компоненты: аргон, углекислый газ и фреоновый компонент, отличающаяся тем, что в качестве фреонового компонента использован аллотроп тетрофлюоропропана CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄) при следующем соотношении компонентов в смеси: аргон – 40 об.%, углекислый газ – 58 об.%, аллотроп тетрофлюоропропана CF₃CH=CHF (фреон C₃H₂F₄) – 2 об.%.