ЭФФЕКТЫ РАДИАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ДЕТЕКТОРАХ

В процессе эксплуатации детекторы непрерывно подвергаются облучению ионизирующей радиацией. По мере увеличения дозы облучения происходит непрерывное ухудшение эксплуатационных параметров детектора: падает коэффициент усиления, растет темновой ток, наконец, возникают спонтанные пробои газовых промежутков [36] .

Простейший пример радиационного старения – это конечный срок службы самогасящегося счетчика Гейгера, наполненного смесью аргона с парами спирта из-за необратимого расхода спирта.

Однако, в отличие от самогасящегося счетчика Гейгера, в котором в процессе эксплуатации непрерывно меняется состав газовой смеси, практически все остальные детекторы, рассмотренные в настоящем пособии, работают при неизменном исходном составе газовой смеси. Подобранная для данного детектора газовая смесь непрерывно прокачивается через детектор и затем через замкнутую систему очистки снова возвращается в детектор. Тем не менее, все детекторы в той или иной степени подвержены радиационному старению.

Как правило эффект радиационного старения характеризуется относительным падением коэффициента газового усиления в зависимости от дозы облучения. Это касается всех пропорциональных детекторов. Исключение составляют плоскопараллельные камеры с резистивными электродами – в этих камерах наблюдалось уменьшение удельного сопротивления бакелитовых электродов при больших дозах облучения, причем нет твердой уверенности, что это уменьшение связано именно с дозой облучения.[38]. Кроме того, для плоскопараллельной геометрии вообще, как правило, радиационное старение наступает медленнее. Во всяком случае, для пропорциональных камер с резистивными электродами, обычно работающих в условиях относительно небольших радиационных загрузок, радиационное старение пока не очень актуально.

При исследованиях радиационного старения дозу облучения обычно выражают в нетрадиционных для этой физической величины единицах: для детекторов с анодными нитями (пропорциональные камеры сами по себе или

входящие в состав других приборов – например, время-проекционных камер) – в заряде, собранном на единице длины анодной нити (Кл/см) или на единицу длины стрипа (Кл/мм) для микростриповых детекторов. Для камер с резистивными электродами, ГЭУ, микромегас дозу выражают в Кл/мм ² [36]. Зная размер детектора, геометрию облучения, энерговыделение прошедшей через детектор частицы и коэффициент газового усиления детектора, легко пересчитать дозу, выраженную в указанных выше единицах, на число зарегистрированных частиц, а зная средний поток частиц через детектор – на срок службы детектора при допустимых изменениях параметров.

Исторически лучше всего исследованы процессы старения многопроволочных пропорциональных камер. Как уже отмечалось выше, радиационное старение приводит к падению коэффициента газового усиления, увеличению темнового тока и спонтанным пробоям. Скорость радиационного старения зависит от очень большого количества факторов: от состава газовой смеси, от коэффициента газового усиления, от скорости продува смеси через детектор, и, кроме того от множества неконтролируемых или плохо контролируемых факторов, таких, как гажение конструкционных материалов, наличия неконтролируемых газовых примесей, поступающих от системы очистки и т.п.

На Рис.60 приведены зависимости тока через пропорциональную камеру, характеризующего коэффициент газового усиления от дозы облучения для двух газовых смесей: Аргон – метан и аргон – DME. Возьмем дозу 0,2 КЛ/см (падение коэффициента усиления для смеси аргон - DME еще незначительно, а для смеси аргон-метан уже составляет около 50%) и подсчитаем, какому потоку зарегистрированных частиц это соответствует. Если камера имеет толщину 1 см, то полная ионизация в аргоне составит около 100 электрон-ионных пар. Принимая коэффициент газового усиления (типично) равным 10⁴, получим заряд от одной частицы равным 1,6·^-13 кулон. Считая шаг между проволочками равным 2 мм, получим, что 2 Кл/см соответствуют 1 КЛ/см². Тогда доза 0,2 Кл/см соответствует примерно 10¹³ частиц на 1 см², что является очень большим потоком.

Рис. 60. Падение коэффициента усиления при облучении в пропорциональной камере для двух газовых смесей.

На Рис.60 приведены зависимости тока через пропорциональную камеру, характеризующего коэффициент газового усиления от дозы облучения для двух газовых смесей: Аргон – метан и аргон – ДМЕ. Видно, что в аргон-метановой смеси старение идет гораздо быстрее. Причина этому состоит в том, что метан, как и рад других углеводородов, при нейтрализации ионов на катоде, да и в процессе прямого облучения, создает большое количество радикалов, которые, в свою очередь, оседая на анодной нити, образуют разнообразные полимерные цепи, одевая анодную проволоку в своеобразную «шубу». Примеры таких «шуб» приведены на Рис.61.

Рис.61. Отложения на анодной проволоке.

Очевидно, что такие отложения изменяют напряженность поля у проволоки и тем самым коэффициент газового усиления.

Помимо этого, на катодах также возникают отложения (эффект Малтера), обладающие изолирующими свойствами. Подходящие к катоду ионы могут создавать в этих тонких изолирующих пленках очень сильные электрические поля, приводящие к вырыву электронов и увеличению темнового тока или даже пробоя.

Для детекторов, работающих на современных ускорителях, таких как Большой Адронный Коллайдер в ЦЕРНЕ, газовые смеси, содержащие сложные углеводороды, по описанным выше причинам, неприемлемы. Применяются газовые смеси Ar(или Xe) – CO₂ или Ar(Xe) ­­­­­­­– CO₂ – CF₄ [ ].

Газы CO₂ ,CF₄. также обладают гасящими свойствами, хотя и хуже, чем углеводороды. Но они не образуют на анодных нитях «шуб», подобных Рис.61.

Однако на этом неприятности не кончаются. Малейшие следы кремния в газовой системе (клеи, смазки, масла и т.п., а иногда и вообще непонятно откуда) приводят к отложению на анодной нити кремниевых бляшек (Рис.62), что также изменяет коэффициент газового усиления [37].

Рис.62. Кремниевые отложения на анодной проволоке.

Интересно применение в качестве газовой добавки четырехфтористого углерода CF₄. Этот газ очень химически активен, еще более активны его радикалы. Поэтому он хорошо очищает анодную проволоку от отложений. Однако он не только не допускает применения в виде конструкционных элементов стекла и ряда других материалов, но и предъявляет очень жесткие требования к качеству золотого покрытия анодной проволоки., иначе в местах с недостаточно качественным покрытием тут же возникает коррозия (Рис 63).

Рис.63. Коррозия золотого покрытия анодной проволоки.

В общем случае можно сказать, что на сегодняшний день подбор газовой смеси, исключение источников кремния, рациональный выбор конструкционных материалов обеспечивают работу детекторов с анодными проволоками до значения доз 20 Кл/см. что достаточно для условий работы БАК.

Микростриповые газовые камеры из-за малой эффективной площади размножения заряда, более высокой плотности энергии по сравнению с анодными проволочными детекторами, оказываются более чувствительны к эффектам радиационного старения. В них исключено применение гасящих органических углеводородных примесей. Наиболее распространенная смесь – это Ar-DME в различных соотношениях концентраций. Тщательный подбор материалов, из которых изготавливается камера, хорошая очистка газовой смеси и ряд других мер позволяют достичь уровня доз без заметного старения до 100 мКл/мм, что все же на порядок хуже, чем в проволочных системах [36].

Наиболее радиационно стойкими являются плоскостные конструкции, в которых отсутствуют проволочки или сверхтонкие электроды, как в микростриповых детекторах. Поэтому в камерах с резистивными электродами, в микромегасах и ГЭУ помимо разрозненных и противоречивых наблюдений отдельных эффектов, которые могут быть приписаны радиационному старению, нет убедительных данных о четко выраженных эффектах радиационного старения [36 ].

В заключение следует сказать, что эффекты радиационного старения столь разнообразны и зависят от столь большого количества факторов, что помимо нескольких общих рекомендаций, сформулированных выше, общей теории не существует, и в ответственных случаях всегда требуется проводить специальные тесты и подбирать условия, обеспечивающие требуемую скорость старения каждого конкретного детектора для конкретных условий эксплуатации.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем пособии довольно кратко рассмотрены современные газоразрядные детекторы, в особенности те, которые появились в последнее десятилетие в первую очередь за счет прогресса в технологии. Это замечание прежде всего относится к микроструктурным детекторам. В настоящее время происходит бурное развитие детекторов этого типа, в литературе регулярно появляются новые экспериментальные варианты конструкций. Жизнь покажет, какие из предлагаемых вариантов окажутся жизнеспособны и востребованы экспериментом, а какие развиваться не будут. Во всяком случае, в настоящем пособии мы рассмотрели лишь те варианты и конструкции приборов, которые уже, пусть иногда ограниченно, (а то и впервые) применяются в реальных экспериментах достаточно крупного масштаба. К моменту выхода в свет этого пособия, возможно, появятся приборы, которые в данное пособие уже не успели войти.

Дата добавления: 2014-10-02; просмотров: 483; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!