Gazowe detektory w eksperymentach wysokich energii na przykładzie kalorymetru uzupełniającego eksperymentu ZEUS

Transkrypt

1 Praca doktorska Stefan Koperny Gazowe detektory w eksperymentach wysokich energii na przykładzie kalorymetru uzupełniającego eksperymentu ZEUS Promotor: prof.dr hab. Kazimierz Jeleń Kraków, 2010

2 Oświadczenie autora rozprawy: Oświadczam, świadomy odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że niniejszą pracę doktorską wykonałem osobiście i samodzielnie, i że nie korzystałem ze źródeł innych niż wymienione w pracy. data, podpis autora Oświadczenie promotora rozprawy: Niniejsza rozprawa jest gotowa do oceny przez recenzentów. data, podpis promotora rozprawy II

3 Serdecznie dziękuję promotorowi rozprawy prof. dr hab. Kazimierzowi Jeleniowi za opiekę podczas pisania tej pracy, za czas poświęcony na dyskusję, za wiele cennych uwag. Dziękuję również wszystkim pracownikom Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek, którzy wspierali, mobilizowali i pomagali mi podczas powstawania tej pracy. Stefan Koperny III

4 SPIS TREŚCI Wstęp 1 1. Gazowe detektory promieniowania w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii Systemy detekcji w zderzeniach wiązek przeciwbieżnych Gazowe detektory śladowe Gazowe detektory proporcjonalne jako warstwa aktywna kalorymetrów próbkujących Gazowe detektory mionów Wymagania stawiane gazowym detektorom w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii Akcelerator HERA, detektor ZEUS Kalorymetr uzupełniający BAC Budowa kalorymetru System odczytu elektronicznego Energetyczna zdolność rozdzielcza kalorymetru BAC Komora proporcjonalna jako element warstwy aktywnej kalorymetru BAC Własności mieszaniny gazowej Ar + CO Przestrzenny rozkład natężenia pola elektrycznego, generacja sygnału i czas dryfu jonów w komorze kalorymetru Czynniki wpływające na amplitudę sygnału z komory kalorymetru Układ zasilania w mieszaninę gazową komór kalorymetru uzupełniającego Budowa układu zasilania w mieszaninę gazową Analiza jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory gałęzi gazowej Wyznaczenie oporów przepływu mieszaniny w poszczególnych elementach gałęzi gazowej Budowa analogu elektrycznego pojedynczej gałęzi gazowej 45 IV

5 5.2.3 Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór barrel u i bottom u Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór end-cup ów Wykrywanie nieszczelnych komór w gałęziach System monitorowania warunków pracy komór kalorymetru Kontrola i sterowanie układu mieszającego Kontrola jakości gazu Monitorowanie przepływów i temperatur Topologia systemu monitorowania warunków pracy komór kalorymetru Proces starzenia gazowych liczników proporcjonalnych Chemiczne aspekty procesu starzenia Zmiany powierzchni anody Zmiany powierzchni katody Czynniki wpływające na proces starzenia Uwzględnienie procesu starzenia na etapie projektu kalorymetru uzupełniającego Analiza własności starzeniowych mieszaniny Ar + CO Dobór materiałów i metod czyszczenia Efekty starzenia w licznikach kontrolnych Zmiany wzmocnienia gazowego i energetycznej zdolności rozdzielczej Zmiany powierzchni anody Efekt częstościowy Badanie efektów starzenia w komorach BAC Laboratoryjne badania odporności komór kalorymetru na procesy starzenia Długoczasowe badania odporności komór kalorymetru na procesy starzenia w rzeczywistych warunkach eksperymentu Badania komór kalorymetru po zakończonym eksperymencie Para wodna jako czynnik redukujący niekorzystne efekty starzeniowe Wnioski 89 Podsumowanie i wnioski końcowe 91 V

6 Dodatek A Mechanizm pracy gazowych detektorów proporcjonalnych promieniowania jonizującego 93 A.1 Detekcja cząstek naładowanych i fotonów 93 A.2 Dryf i rekombinacja ładunków 96 A.3 Lawinowe mnożenie elektronów w polu elektrycznym 97 A.4 Efekty wtórne 99 A.5 Energetyczna zdolność rozdzielcza 100 A.6 Komora proporcjonalna jako źródło sygnału elektrycznego 101 Dodatek B Wyznaczenie spadków ciśnień dla przepływów gazów lepkich przez rury o różnych, stałych przekrojach 103 B.1 Rura o przekroju kołowym 103 B.2 Rura o przekroju prostokątnym 104 Literatura 106 VI

7 WSTĘP WSTĘP Fizyka cząstek dostarcza nam wiedzy na temat elementarnych składników materii i podstawowych oddziaływań zachodzących w przyrodzie. Sformułowane w latach 70-tych podstawy teoretyczne tzw. Modelu Standardowego zostały w większości potwierdzone doświadczalnie w latach 80-tych i 90-tych XX wieku. Niemniej jednak pozostało ciągle wiele pytań, które pozostają bez odpowiedzi. Podstawowym narzędziem eksperymentalnym, weryfikującym przewidywania teoretyczne fizyków, są akceleratory cząstek i detektory, rejestrujące produkty wzajemnych oddziaływań. W ostatnim okresie budowane są akceleratory wiązek przeciwbieżnych, dzięki którym można uzyskać bardzo dużą energię w układzie środka masy zderzających się cząstek. Punkty zderzeń (miejsca przecięć przeciwbieżnych wiązek) obudowywane są detektorami, mającymi wiele części składowych. Podstawowe typy detektorów, używanych we współczesnych eksperymentach fizyki cząstek, to detektory gazowe, półprzewodnikowe i scyntylacyjne, używane w różnych konfiguracjach, mających zapewnić identyfikację oraz pomiar odpowiednich parametrów kinematycznych i dynamicznych cząstek, będących produktem zderzenia. Zgodnie z Modelem Standardowym proton składa się z trzech kwarków walencyjnych oraz tzw. morza kwarków i antykwarków, które związane są przez silne krótkozasięgowe oddziaływania. Struktura protonu może być badana w procesie jego zderzeń z nieoddziaływującymi silnie leptonami np. elektronami. Akcelerator przeciwbieżny HERA (Hadron Elektron Ring Anlage) zbudowany został w DESY (Deutsches Elektronen SYnchrotron w Hamburgu, Niemcy) i umożliwiał przeprowadzanie eksperymentów nieelastycznego rozpraszania elektronów na wysokoenergetycznych protonach, a właściwie na jego składnikach. Punkty zderzeń budowane są zazwyczaj w międzynarodowych współpracach. Detektor ZEUS, jeden z punktów zderzeń na akceleratorze HERA, był efektem pracy fizyków i inżynierów wielu ośrodków naukowych z 12 państw. W ramach współpracy przy eksperymencie ZEUS pracownicy Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego zobowiązali się do wykonania kalorymetru uzupełniającego BAC (BAcking Calorimeter). Zadaniem tej bardzo istotnej części superdetektora ZEUS była rejestracja późnych kaskad hadronowych oraz mionów. Kalorymetr uzupełniający składał się ze stalowego jarzma elektromagnesu, w szczelinach którego zostały umieszczone gazowe przepływowe komory proporcjonalne. Grupa pracowników Międzyresortowego Instytutu Fizyki Jądrowej AGH (obecna nazwa Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej) podjęła 1

8 WSTĘP zobowiązanie zaprojektowania i wykonania odpowiedniego systemu zasilania mieszaniną gazową Ar + CO 2 komór kalorymetru. W skład systemu wchodził zestaw, wykonujący mieszaninę gazową o żądanej koncentracji, oraz system jej dystrybucji, zapewniający jednorodną wymianę we wszystkich komorach. Spełnienie tych wymagań dla 5061 komór kalorymetru o całkowitej objętości gazowej około 60 m 3, które miały różne długości, a więc różne opory przepływu i objętości czynne, wymagało starannego zaprojektowania układu. Zobowiązano się również do prowadzenia prac, mających na celu właściwy dobór koncentracji składników mieszaniny, zapewniający odpowiednio duże wzmocnienie gazowe i stabilną pracę komór. Komory kalorymetru przed zamontowaniem były testowane. W trakcie testów wyznaczano między innymi charakterystyki częstościowe - liczba zliczeń promieniowania kosmicznego powyżej progu dyskryminacji w funkcji napięcia polaryzacji. Pomiędzy charakterystykami poszczególnych komór występowały różnice w przebiegu i długości plateau. Jeżeli komory kalorymetru pracowały przy tym samym napięciu polaryzacji anody to koniecznym było wyznaczenie przedziału napięć, dla którego wszystkie komory pozostawały w zakresie plateau charakterystyki oraz konieczna stawała się stabilizacja układu poprzez stałe monitorowanie wzmocnienia gazowego. W tym celu zostały zaprojektowane i wykonane przepływowe detektory kontrolne wraz z systemem elektronicznego odczytu. Zaprojektowano i wykonano system monitorowania i rejestracji parametrów, mających istotny wpływ na warunki pracy komór takich jak: temperatura komór, ciśnienie atmosferyczne, koncentracja składników mieszaniny i wielkości jej przepływu. W trakcie prowadzenia eksperymentu zespół odpowiadał za zbudowane elementy kalorymetru BAC. Modernizował, wymieniał i przeprowadzał kalibracje systemu monitorowania, zapewniając w sposób ciągły stabilną pracę komór. W trakcie pracy wszystkich detektorów gazowych zachodzą w nich niekorzystne procesy, powodujące pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej i obniżenie wzmocnienia gazowego, tzw. efekty starzeniowe. Zespołowi z AGH zostało powierzone szczególne zadanie, polegające na kontroli i zapobieganiu efektom starzenia w komorach kalorymetru. Prace obejmowały testy laboratoryjne oraz testy prowadzone w trakcie eksperymentu z wykorzystaniem dodatkowych komór. Prowadzono również analizę procesu starzenia, obserwowanego w zamontowanych detektorach kontrolnych. W lipcu 2007 akcelerator HERA został wyłączony, eksperyment ZEUS zakończył zbieranie danych i przystąpiono do demontażu całego detektora. Powstała zatem dodatkowa możliwość wykorzystania danych, zebranych przed instalacją komór, danych kolekcjonowanych w trakcie pracy eksperymentu, a także danych uzyskanych z dedykowanych pomiarów 2

9 WSTĘP parametrów komór wymontowanych z kalorymetru uzupełniającego oraz wykonania analizy procesu starzenia. Autor rozprawy uczestniczył we wszystkich etapach prac zespołu począwszy od projektu budowy, instalacji i testów, po obsługę i konserwację w trakcie prowadzenia eksperymentu. W szczególności zajmował się problemami jednorodności przepływów w komorach kalorymetru, analizą procesów starzenia w licznikach kontrolnych, budową zestawu, wykonującego żądaną mieszaninę gazową, wraz z systemem zabezpieczeń. Samodzielnie zaprojektował i zbudował cały system do monitorowania i rejestracji warunków pracy komór BAC. Badanie zagadnienia procesu starzenia detektorów gazowych, przeprowadzone po zakończeniu eksperymentu, wymagało stworzenia stanowiska pomiarowego w laboratorium w Krakowie, które umożliwiało przeprowadzenie testów wyeksploatowanych detektorów sprowadzonych z DESY. 3

10 ROZDZIAŁ 1 ROZDZIAŁ 1 GAZOWE DETEKTORY PROMIENIOWANIA W EKSPERYMENTACH FIZYKI CZĄSTEK WYSOKICH ENERGII Poznawanie coraz głębszych struktur materii metodą rozpraszania wiąże się z koniecznością stosowania w zderzeniach cząstek o coraz wyższych energiach. Wyższe energie zderzających się cząstek, a tym samym cząstek produkowanych, zmuszają eksperymentatorów do stosowania detektorów o coraz większych rozmiarach i lepszej przestrzennej zdolności rozdzielczej. Równocześnie bardzo małe prawdopodobieństwo interesujących wzajemnych oddziaływań wysokoenergetycznych cząstek skłania do wzrostu częstości zderzeń, co wiąże się z koniecznością poprawy czasowej zdolności rozdzielczej stosowanych detektorów. Zatem postęp w badaniach struktury materii przy wykorzystaniu cząstek wysokich energii jest ściśle związany z rozwojem detektorów cząstek i stowarzyszonej z detektorami elektroniki. 1.1 SYSTEMY DETEKCJI W ZDERZENIACH WIĄZEK PRZECIWBIEŻNYCH Miejsce zderzeń wysokoenergetycznych cząstek obudowane jest warstwową strukturą różnych detektorów. Typowy przykładowy układ systemu, pokazany schematycznie na rysunku 1.1, ma na celu identyfikację produktów zderzenia i pomiar ich parametrów kinematycznych oraz dynamicznych. Pęd cząstek naładowanych wyznacza się z pomiaru promienia krzywizny ich toru w polu magnetycznym. Dla wysokoenergetycznych cząstek, przy ograniczonej ze względów technicznych wartości pola magnetycznego, celem dokładnego wyznaczenia promienia krzywizny toru śladu niezbędna jest odpowiednia jego długość i precyzja w jego przestrzennej rekonstrukcji. Wymagania te spełniają tak zwane detektory śladowe. W celu minimalizacji rozwoju kaskad elektromagnetycznych materiały i ich ilości stosowane do budowy detektora śladowego powinny cechować się małą liczbą dróg radiacyjnych. Dlatego jako detektory śladowe najczęściej w ostatnich latach używane są paskowe detektory krzemowe o grubości warstwy krzemu 0.3 mm lub różne odmiany konstrukcyjne detektorów gazowych. 4

11 ROZDZIAŁ 1 B B RURA AKCELERATORA e KOMORY ŚLADOWE SOLENOID y B p, Π + γ n B KALORYMETR ELETROMAGNETYCZNY KALORYMETR HADRONOWY DETEKTORY MIONÓW STALOWE JARZMO ELEKTROMAGNESU x B DETEKTORY MIONÓW z μ + TOR CZĄSTKI I ROZWIJAJĄCA SIĘ KASKADA CZĄST. WTÓRNYCH TOR CZĄSTKI BEZ ŚLADU JONIZACYJNEGO W DETEKTORACH Rysunek 1.1. Schemat przekroju poprzecznego miejsca interakcji wraz z wykazem poszczególnych części składowych. Ślady jonizacyjne w poszczególnych częściach eksperymentu zaznaczone są dla: e elektronu, p protonu, Π + - pionu, γ fotonu, n neutronu, μ + mionu. W celu poprawnej identyfikacji wysokoenergetycznych elektronów i pozytonów wykorzystywane jest zjawisko promieniowania przejścia, pojawiającego się przy przejściu naładowanej cząstki pomiędzy ośrodkami o różnych stałych dielektrycznych. Promieniowanie przejścia emitowane jest w zakresie energii od 1 do 30 kev. Detektory gazowe, pracujące z mieszaniną na bazie gazów szlachetnych, o dużej liczbie atomowej Z (najczęściej Xe ), doskonale nadają się do rejestracji fotonów w tym przedziale energii. Gazowy detektor śladowy z dodatkową funkcją rejestracji promieniowania przejścia to stosowane rozwiązanie. Dotychczasowe konstrukcje, gazowych detektorów śladowych z funkcją rejestracji promieniowania przejścia, nie przyniosły zadowalających rezultatów, niemniej jednak kolejna próba zastosowania została podjęta w eksperymencie ATLAS na akceleratorze LHC. Energię cząstek wysokoenergetycznych wyznacza się zwykle metodą pełnej absorpcji, czyli kalorymetryczną. Cząstka pierwotna wraz z wytworzoną kaskadą cząstek wtórnych zostają całkowicie zatrzymane w objętości kalorymetru. Proces rozwoju kaskady zależy od materiału użytego w kalorymetrze, rodzaju cząstki i jej energii. Rozróżniamy dwa rodzaje kaskad: elektromagnetyczną i hadronową. Kaskada elektromagnetyczna, inicjowana przez wysokoenergetyczny foton lub elektron, powstaje w wyniku następujących po sobie procesów hamowania elektronów i procesu tworzenia par elektron - pozyton. Kaskadę hadronową zapoczątkowuje hadron w wyniku nieelastycznego oddziaływania z jądrem, produkując wtórne hadrony, które w dalszych procesach tworzą następną generację. O ile rozwój kaskady 5

12 ROZDZIAŁ 1 elektromagnetycznej przebiega w oparciu o kilka procesów dobrze opisanych teoretycznie, kaskada hadronowa może rozwijać się przez dużo większą liczbę procesów, z możliwością kreacji szerokiego spektrum cząstek zarówno naładowanych, jak i obojętnych. Ten fakt jest przyczyną gorszej zdolności rozdzielczej kalorymetrów hadronowych w porównaniu z elektromagnetycznymi. Jedną z odmian kalorymetrów jest kalorymetr próbkujący (ang. sampling calorimeter), którego cechą jest naprzemienne ułożenie warstw absorbentu i warstw aktywnych. Warstwami aktywnymi najczęściej są płyty scyntylatorów, komory jonizacyjne wypełnione ciekłym argonem lub warstwy gazowych komór proporcjonalnych. Miony, jeżeli ich energia przekracza kilka GeV, z łatwością przenikają warstwy absorbentu, wchodzące w skład kalorymetru. Miony, które powstają w wyniku procesów rozpadów i wzajemnych oddziaływań wysokoenergetycznych cząstek oraz te, które docierają z promieniowania kosmicznego, wymagają w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii specjalnego systemu rejestracji. Systemy te w różnych eksperymentach oparte są na trzech głównych koncepcjach [1]. W pierwszym rozwiązaniu dokonuje się jedynie rejestracji przejścia wysokoenergetycznego mionu, a jego pęd wyznacza się na podstawie promienia krzywizny toru, w wewnętrznym detektorze śladowym. Wymagana w takim rozwiązaniu przestrzenna rozdzielczość wyznaczenia toru w systemie rejestracji mionów zawiera się w przedziale od 1 do 10 mm. Druga koncepcja spektrometryczna, polega na pomiarze pędu rejestrowanych mionów przez wyznaczenie promienia krzywizny ich toru przy przejściu przez stalowy namagnesowany rdzeń (w innym kierunku niż wewnętrzny detektor śladowy) z wykorzystaniem wielu warstw detektorów śladowych. Ta koncepcja prezentowana jest na poglądowym przekroju eksperymentu fizyki cząstek wysokich energii na rysunku 1.1. Wymagana wówczas przestrzenna rozdzielczość rejestracji toru wynosi od 0.2 do 1 mm. To rozwiązanie zastosowano w eksperymentach ZEUS, H1, D0, CMS, LHCb. Trzecią koncepcją jest spektrometr mionów oparty na powietrznym rdzeniu (ang. air-core). Wymagana w takim rozwiązaniu przestrzenna zdolność rozdzielcza powinna wynosić około 30 μm. Taki rodzaj spektrometru zastosowano w eksperymentach L3 i ATLAS. Detektory mionów posiadają zwykle budowę wielowarstwową i są rodzajem detektorów śladowych, przy czym ilości i rodzaj materiałów użytych do ich konstrukcji nie są istotne, ponieważ miony nie inicjują rozwoju kaskad. Wymagana duża powierzchnia tych detektorów wyklucza użycie drogich detektorów półprzewodnikowych i detektorów scyntylacyjnych, a zastosowanie znajdują prawie wyłącznie różne rodzaje detektorów gazowych. 6

13 ROZDZIAŁ 1 Procesy zachodzące w gazowych detektorach, związane z rejestracją promieniowania i z lawinowym mnożeniem elektronów w polach elektrycznych o dużym natężeniu, omówione są w dodatku A. 1.2 GAZOWE DETEKTORY ŚLADOWE W eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii zastosowanie znajdują następujące gazowe detektory śladowe: wielodrutowe komory proporcjonalne (ang. Multiwire Proportional Chamber MWPC)[2,3], komory dryfowe (ang. Drift Chamber DC ), detektory słomkowe (ang. Straw Tube - ST) oraz komory z projekcją czasu (ang. Time Projection Chamber TPC)[4]. W ostatnich kilkunastu latach nastąpił rozwój nowych konstrukcji w postaci gazowych detektorów mikro-strukturalnych (ang. Micro Pattern Gas Detector MPGD ) [5,6,7]. Do nich zaliczyć należy mikropaskowe komory gazowe (ang. Micro Strip Gas Chamber MSGC) [8,9], gazowe struktury z mikro-siatką (ang. MICRO- MEsh GAseous Structure MICROMEGAS)[10] oraz detektory typu gazowe elektronowe powielacze (ang. Gas Electron Multiplier GEM) [11]. Wymienione konstrukcje gazowych detektorów mikro-strukturalnych charakteryzują się wysoką rozdzielczością przestrzenną i dużą dopuszczalną częstością rejestracji promieniowania, dlatego coraz częściej znajdują zastosowanie jako detektory śladowe w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii. Wielodrutowe komory proporcjonalne MWPC, których schemat prezentowany jest na rysunku 1.2, zbudowane są z warstw drutów anodowych przedzielonych warstwami drutów katodowych lub folii. Pojedyncza warstwa równoległych drutów anodowych zapewnia określenie położenia śladu w dwóch wymiarach. Kolejne warstwy drutów anodowych rozpięte w innych kierunkach zapewniają prawidłową przestrzenną rekonstrukcję toru cząstki jonizującej przy ograniczonej częstości i gęstości przestrzennej śladów. Komory MWPC działają w reżimie pracy licznika proporcjonalnego z dobrą energetyczną zdolnością rozdzielczą. System odczytu może być oparty na rejestracji indukowanych impulsów prądowych jedynie z drutów anodowych lub równocześnie z drutów anodowych i katodowych. Przestrzenna zdolność rozdzielcza przy zastosowaniu analogowego odczytu z każdego drutu anodowego i przy wyznaczaniu środka ciężkości rozkładu amplitud odpowiedzi z sąsiednich drutów jest lepsza niż odległość między drutami anodowymi. Do komór dryfowych DC (rysunek 1.2) można zaliczyć całą gamę różnych rozwiązań konstrukcyjnych gazowych drutowych detektorów śladowych, w których, celem poprawy przestrzennej zdolności rozdzielczej, wyznacza się odległość pomiędzy drutem anodowym, 7

14 ROZDZIAŁ 1 MWPC KOMORA DRYFOWA DC płaszczyzna katody folia lub druty hν hν d = (od3 do4) s kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej elektroda ekranująca strefa dryfu strefa dryfu kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego 2d s min 1mm płaszczyzna katody folia lub druty z druty anodowe y x elektroda ekranująca s linie ekwipotencjalne drut anodowy kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego druty katodowe zapewniające płaskie pole E z y x TPC katoda polaryzująca strefę dryfu, V~ - 50kV z y x B E paski potencjałowe formujące jednorodne pole E gazowe detektory o dużej rozdzielczości powierzchniowej ślad jonizacyjny cząstki współrzędne x i y miejsc jonizacji wyznaczone detektorami 2D kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej pomiar czasu dryfu wyznacza wspłrzędną z PARAMETR MWPC DC TPC pojedyncza warstwa drutów wyznacza jedynie 2 współrzędne z i y, współrzędna x wyznaczana jest z innej warstwy współrzędna/ przestrzenna zdolność rozdzielcza [μm] z/600 (przy s=1mm) y /2d z /500 (przy s=60mm) y /2d x,y /800 z /1000 (wartości podane dla drogi dryfu 2.5m) Rysunek 1.2. Schematy budowy gazowych detektorów śladowych typu MWPC, KOMORA DRYFOWA i TPC wraz z tabelą zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i parametry są typowe dla poszczególnych rodzajów detektorów. a punktem jonizacji pierwotnej, wynikającej z przejścia cząstki jonizującej. W celu wyznaczenia tej odległości wykorzystuje się pomiar czasu pomiędzy zderzeniem w punkcie interakcji, a sygnałem z detektora. Wynika stąd konieczność posiadania precyzyjnego referencyjnego sygnału czasowego. Dokładność tej metody wyznacza głównie precyzja pomiaru czasu i stałość prędkości dryfu elektronów. Prędkość dryfu elektronów zależy od składu mieszaniny gazowej, jej gęstości i od natężenia pola elektrycznego. Stabilność gęstości gazu wymaga zachowania dwóch parametrów ciśnienia i temperatury, co nie jest łatwe przy 8

15 ROZDZIAŁ 1 dużych rozmiarach komory. Kierunek dryfu elektronów od miejsca jonizacji pierwotnej jest uzależniony nie tylko od kierunku pola elektrycznego, ale również od kierunku i wartości pola magnetycznego. Fakt powyższy musi być uwzględniany przy rekonstrukcji toru rejestrowanej cząstki. Komory z projekcją czasu TPC są dużymi gabarytowo detektorami śladowymi zazwyczaj w kształcie walca, którego oś jest zgodna z osią z (rys.1.1). Jednorodne pole elektryczne o natężeniu około 400V/cm i jednorodne pole magnetyczne B, służące zakrzywianiu torów cząstek naładowanych jest skierowane równolegle do osi z. Rejestrowane cząstki jonizują atomy mieszaniny roboczej detektora. Wyznaczając współrzędne przestrzenne kolejnych miejsc jonizacji potrafimy dokonać rekonstrukcji przestrzennej toru. W oparciu o współczesne komory TPC rekonstrukcja oparta jest na punktach pomiarowych. Podstawy walca pokryte są gazowymi detektorami o dużej rozdzielczości przestrzennej w dwóch wymiarach. Detektory te wyznaczają współrzędne x i y miejsc jonizacji pierwotnej. Współrzędna z wyznaczana jest z pomiaru czasu dryfu elektronów. Tor dryfujących elektronów jest zgodny z kierunkiem pola elektrycznego, gdyż równoległe pole magnetyczne nie zakrzywia ich toru. Rozdzielczość przestrzenną ogranicza zjawisko dyfuzji elektronów w gazie, w czasie dryfu. Komory z projekcją czasu TPC wymagają bardzo dobrej stabilizacji ciśnienia, temperatury oraz składu mieszaniny gazowej. Detektory słomkowe są cylindrycznymi licznikami proporcjonalnymi o małej średnicy katody z pojedynczym drutem anodowym. Najczęściej średnica katody wynosi od 4 do 8 mm (stąd nazwa tego typu detektora). Katoda zbudowana jest z cienkiej nawęglanej folii poliamidu (kapton), usztywnianej włóknami węglowymi [12]. Mała średnica słomki zapewnia krótki czas dryfu elektronów i jonów, a cylindryczna geometria zapewnia dobrą energetyczną zdolność rozdzielczą. Detektory słomkowe często używane są jako detektory śladowe z możliwością rejestracji promieniowania przejścia (ang. Transition Radiation Tracker TRT). Grupę detektorów mikro-strukturalnych otwiera najwcześniej opracowana (w 1988 r) mikropaskowa komora gazowa MSGC, której schemat pokazany jest na rysunku 1.3. Komory te zbudowane są z płytki izolatora, z naniesionymi metalicznymi równoległymi paskami. Naprzemienne ułożenie w niewielkiej odległości pasków anodowych i katodowych zapewnia odpowiednio duże natężenie pola elektrycznego wokół paska anodowego w obszarze, którego zachodzi proces mnożenia lawinowego. Elektrony jonizacji pierwotnej, dzięki jednorodnemu polu elektrycznemu w strefie absorpcji, dryfują w kierunku powierzchni z paskami. Wytworzone w procesie mnożenia lawinowego jony dodatnie pokonują bardzo 9

16 ROZDZIAŁ 1 MSGC MICROMEGAS katoda formująca pole E strefy dryfu hν katoda formująca pole E strefy dryfu hν 3 mm E DRYFU kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego 3 mm 1kV/cm kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego 0.1 mm 50kV/cm 200 μm 80 μm paski anodowe szer. 20 μm paski katodowe szer. 80 μm płytka podłoża paski anodowe szer. 60 μm mikrosiatka gr. 5 μm płytka podłoża GEM hν katoda formująca pole E strefy dryfu 3 mm STREFA DRYFU 5 μm Cu 50 μm KAPTON 5 μm Cu 50 μm 70 μm 140 μm paski anodowe szer. 200 μm płytka podłoża kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej E DRYFU E TRANS E TRANS E INDUK kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego GEM1 2 mm STREFA TRANSFERU GEM2 2 mm STREFA TRANSFERU GEM3 2 mm STREFA INDUKCJI 500 μm PARAMETR Maksymalne stabilne wzmocnienie gazowe Max. częstość zliczeń licz. zlicz./mm 2 s Energetyczna zdolność rozdzielcza FWHM(dla 5.9keV) Odporność na samoczynne wyładowania Odporność na procesy starzeniowe Typ dominującej składowej w impulsie prądowym indukowanym w obwodzie anody Powierzch. zdolność rozdzielcza (zbiór pasków równoległych wyznacza 1 wsp.) MSGC MICRO- GEM MEGAS GEM 7x10 3 ~10 6 ~16% słaba średnia jonowa 80 μm GEM ~10 8 ~10 5 ~12% ~15% dobra b.dobra dobra b.dobra jonowa elektron. 60 μm 250 μm Rysunek 1.3. Schematy budowy gazowych detektorów mikro-strukturalnych typu MSGC, MICROMEGAS i GEM wraz z tabelą, zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i wartości natężenia pola elektrycznego są typowe dla poszczególnych typów detektorów. 10

17 ROZDZIAŁ 1 krótki dystans do paska katodowego. Niweluje to w znacznej mierze problem wolno dryfującej składowej jonowej (efekt ładunku przestrzennego) i wynikających stąd ograniczeń częstości zliczeń detektorów gazowych. Podobną konstrukcję ma detektor typu MICROMEGAS (rysunek 1.3), który jest płaską komorą z kilkumilimetrową strefą absorpcji i dryfu oraz strefą mnożenia lawinowego o grubości do 0.1 mm. Strefy te oddzielone są bardzo cienką siatką metaliczną, której odległość do płaszczyzny anodowej zapewniają odpowiednie elementy dystansujące. Płaszczyzna anodowa może być podzielona na obszary odczytowe o żądanych wymiarach. Detektory tego typu charakteryzują się dużym bezpiecznym współczynnikiem wzmocnienia gazowego, bardzo dobrą energetyczną zdolnością rozdzielczą i bardzo dużą dopuszczalną częstością rejestracji bez widocznych efektów nasycenia. Gazowe, elektronowe powielacze GEM są detektorami zbudowanymi z równoległych warstw folii polimerowej ( kapton) dwustronnie metalizowanych cienką warstwą miedzi. W foliach tych trawione są profilowane otwory o niewielkiej średnicy. Przez zapewnienie różnicy potencjałów V pomiędzy cienkimi warstwami miedzi natężenie pola elektrycznego w obszarze otworów dochodzi do 100 kv cm -1, przy którym następuje zjawisko lawinowego mnożenia elektronów w gazach. W praktycznych rozwiązaniach, zazwyczaj stosuje się od 2 do 4 folii z zapewnionym dystansem około 2 mm pomiędzy foliami. Stosowanie kilku warstw folii, a co za tym idzie mniejszy współczynnik wzmocnienia gazowego dla pojedynczej folii (mniejsza różnica potencjałów między warstwami miedzi), przyczynia się do redukcji prawdopodobieństwa niekontrolowanego wyładowania. W detektorach typu GEM obserwowane jest negatywne zjawisko elektrostatycznego ładowania się powierzchni dielektryka wewnątrz otworu, co skutkuje zmniejszeniem natężenia pola elektrycznego i pociąga za sobą zmianę współczynnika wzmocnienia gazowego. Płaska elektroda zbiorcza, anoda może być dowolnie podzielona, zapewniając właściwą rozdzielczość powierzchniową. W detektorach typu GEM indukowany impuls prądowy w obwodzie anody wynika jedynie z ruchu elektronów. Większość jonów dodatnich pokonuje jedynie dystans równy grubości folii, co przyczynia się do zmniejszenia gęstości jonów w obszarze dryfu i skutkuje zmniejszeniem prawdopodobieństwa rekombinacji, co umożliwia rejestrację promieniowania o dużej częstości. Z powodzeniem wykonuje się nie tylko płaskie detektory typu GEM, ale również o kształcie cylindrycznym. Tabela 1.1 zawiera wykaz ważniejszych współczesnych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii, w których zastosowano gazowe detektory śladowe. Tabela została sporządzona z podziałem na wykorzystane typy detektorów gazowych. 11

18 ROZDZIAŁ 1 Akcelerator Eksperyment Zastosowane typy gazowych detektorów śladowych LEP (CERN) e + - e - HERA (DESY) e - p LHC (CERN) p - p SPS (CERN) p PS (CERN) p TEVATRON (FERMILAB) ALEPH MWPC DC ST TPC MPGD DELPHI X X X OPAL X X L3 X H1 X X ZEUS X X HERMES X HERA-B X X ATLAS ALICE X X X LHCb TOTEM NA58 COMPASS NA69 SHINE NA62 PS212 DIRAC CDF p - p KEKB BELLE X e + - e - (KEK) X X X X X X X X X Tabela 1.1. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory śladowe. 1.3 GAZOWE DETEKTORY PROPORCJONALNE JAKO WARSTWA AKTYWNA KALORYMETRÓW PRÓBKUJĄCYCH Gazowe detektory proporcjonalne stosunkowo rzadko są używane w kalorymetrii[13,14]. Wykorzystywane są wówczas, gdy kalorymetr jest również rodzajem detektora śladowego oraz gdy kalorymetr osiąga duże rozmiary. Często kalorymetr z warstwami aktywnymi w postaci detektorów gazowych stanowi jedynie uzupełnienie 12

19 ROZDZIAŁ 1 głównego kalorymetru. Proporcjonalne detektory gazowe jako warstwa aktywna w kalorymetrach stosowane są najczęściej w postaci wielosekcyjnych komór drutowych z katodą sygnałową. W systemie odczytu wykorzystuje się zarówno indukowane impulsy prądowe w obwodzie anody, jak i w obwodzie katody sygnałowej. Umożliwia to wyznaczenie współrzędnych miejsca jonizacji. Tabela 1.2 zawiera wykaz ważniejszych eksperymentów, w których zastosowano kalorymetry z gazowymi detektorami proporcjonalnymi. Akcelerator/ Doświadczenie Eksperyment Budowa kalorymetru Stosowana mieszanina gazowa (koncentracja obj.%) Main Injector (Fermilab) p MIPP Pb/gaz.det. Ar/CH 4 /CF 4 (76.5/8.5/15) HERA (DESY) e - p ZEUS Fe/ gaz.det. Ar/CO 2 (87/13) LEP (CERN) e + - e - L3 U/ gaz.det. Ar/CH 4 (92/8) Badanie promieniowania kosmicznego (National Gran Sasso Laboratories) EAS - TOP Fe/ gaz.det. Ar/i-C 4 H 10 (50/50) Tabela 1.2. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory proporcjonalne jako warstwa aktywna kalorymetrów próbkujących [15,16]. 1.4 GAZOWE DETEKTORY MIONÓW Ze względu na wymagane duże powierzchnie, systemy rejestracji mionów oparte są prawie wyłącznie na gazowych detektorach. Jedynie w eksperymentach DELPHI (LEP) i CDF ( Tevatron) użyto detektorów scyntylacyjnych. Stosowane gazowe detektory można podzielić na trzy zasadnicze grupy. Do pierwszej zaliczyć należy komory gazowe, zwykle wielosekcyjne, z pojedynczym drutem anodowym w każdej sekcji (ang. Single Wire Chamber SWC). W stosowanych rozwiązaniach przekrój poprzeczny pojedynczej sekcji ma kształt prostokątny lub kołowy. Drugą grupę stanowią wielodrutowe komory (ang. Multi Wire Chamber MWC), w których druty anodowe i katodowe rozpięte są w stosunkowo dużej objętości gazowej. Do trzeciej grupy zaliczamy komory z rezystywną warstwą (ang. Resistive Plate Counter RPC)[17,18,19]. Komory RPC są płaskimi detektorami, mającymi kilkumilimetrową wspólną strefę absorpcji, dryfu i mnożenia lawinowego. W komorach tych stosuje się cienkie płyty (zazwyczaj o grubości 1-2 mm) z materiału posiadającego oporność właściwą w przedziale od do Ω cm. Najczęściej są to różne odmiany bakelitu lub szkła typu okiennego (materiały te charakteryzują się przewodnictwem jonowym) oraz 13

20 ROZDZIAŁ 1 specjalnego szkła o przewodnictwie elektronowym. W eksperymentach fizyki wysokich energii znajdują zastosowanie różne odmiany konstrukcyjne komór RPC. Z warstwą o wysokiej rezystancji po stronie anody lub katody, bądź po obu stronach. Elektrody odczytowe najczęściej w kształcie pasków, w których indukowany jest sygnał elektryczny mogą stanowić warstwę niezależną od elektrod potencjałowych, zapewniających odpowiedniej wielkości pole elektryczne w obszarze czynnym detektora. Duże natężenie pola elektrycznego w strefie czynnej komory przyczynia się do rozwoju lawin elektronowo-jonowych, a warstwy rezystancyjne zapobiegają wyładowaniom ciągłym w mieszaninie roboczej. Komory RPC pracują w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego lub w zakresie wyładowania lawinowego w gazie roboczym zapewniając stosunkowo duży sygnał indukowany w obwodzie elektrody odczytowej. Schemat budowy komory RPC z pojedynczą warstwą rezystywną i warstwą elektrod odczytowych (pasków), które jednocześnie formują pole elektryczne w komorze prezentowany jest na rysunku 1.4. RPC katoda formująca pole E strefy dryfu i mnożenia lawinowego hν PARAMETR rozdzielczość powierzchniowa RPC (skrzyżowane paski) - najlepsza 300 μm S=2 mm E rozdzielczość czasowa typowa - najlepsza przy S=0.1mm 2 ns ~50 ps wielkość lawiny elektronowej generowanej przez pojedynczą cząstkę min. jon.(mip) ~2 pc kierunek dryfu elektronów i rozwój lawiny elektronowej kierunek dryfu jonów powstałych w procesie mnożenia lawinowego paski anodowe szer. 140 μm 200 μm osiągana powierzchniowa gęstość rejestracji promieniowania ~7kHz/cm 2 wysokorezystywna płytka podłoża Rysunek 1.4. Schematy budowy gazowego detektora typu RPC wraz z tabelą, zawierającą wykaz podstawowych ich własności. Podane wymiary i parametry są typowe dla współczesnych komór RPC. Dobrą przestrzenną rozdzielczość w systemach rejestracji mionów uzyskuje się dzięki dużej gęstości pasków odczytowych w komorach RPC lub dzięki pomiarowi czasu dryfu elektronów w komorach SWC i MWC. Rozwiązaniem, mającym na celu zapewnienie dobrej 14

21 ROZDZIAŁ 1 Akcelerator Eksperyment Zastosowane typy gazowych LEP (CERN) e + - e - HERA (DESY) e - p LHC (CERN) p - p SPS (CERN) p - p TEVATRON (FERMILAB) p - p ILC (w fazie proj.) e - e detektorów mionów SWC MWC RPC Efektywna powierzchnia detektorów [m 2 ] Liczba kanałów odczytu [w tyś.] DELPHI X OPAL X ALEPH X L3 X X ZEUS X H1 X CMS X X X ATLAS X X X LHCb X UA1 X CDF X D0 X LDC X SiD X 8600? 4thConcept X Tabela 1.3. Wykaz ważniejszych eksperymentów fizyki cząstek wysokich energii po 1990 r., w których zastosowano gazowe detektory w systemach rejestracji mionów. przestrzennej rozdzielczości, jest stosowanie w długich wielosekcyjnych komorach z pojedynczym drutem anodowym dodatkowych pasków metalicznych jako elektrod sygnałowych, umożliwiających lokalizację miejsca jonizacji wzdłuż drutu anodowego. Komory te są znane jako komory Iarocci ego od nazwiska pomysłodawcy [20].Gazowe detektory mionów pracują zwykle w zakresie dużego współczynnika mnożenia lawinowego lub ograniczonego wyładowania strimerowego, a co za tym idzie dużej amplitudzie sygnałów wyjściowych. Dzięki temu w systemach rejestracji mionów można stosować stosunkowo proste elektroniczne układy stowarzyszone z detektorem, co przy dużej ilości kanałów odczytu w całym systemie jest bardzo istotne. Wykaz typów gazowych detektorów mionów i parametry, obrazujące wielkości systemów rejestracji mionów, zawiera tabela

22 ROZDZIAŁ WYMAGANIA STAWIANE GAZOWYM DETEKTOROM W EKSPERYMENTACH FIZYKI CZĄSTEK WYSOKICH ENERGII Gazowe detektory promieniowania, stosowane w eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii, charakteryzują się dużymi rozmiarami i stosunkowo lekką konstrukcją. Wielkość i użyte materiały, ze względu na procesy odgazowywania i dyfuzji przez ściany obudowy, zmuszają do częstej wymiany mieszaniny roboczej w objętości czynnej detektora. Dlatego też wszystkie stosowane rozwiązania opierają się na ciągłym przepływie gazu roboczego. W celu optymalizacji kosztów eksploatacji detektorów gazowych stosowane mieszaniny robocze oparte są głównie na najtańszym gazie szlachetnym argonie. Wówczas mieszanina gazowa po jednokrotnym przepływie przez detektor zostaje wypuszczona do atmosfery. W przypadku użycia mieszanin opartych na innych gazach szlachetnych (hel, neon w komorach TPC, ksenon w detektorach TRT) stosuje się zamknięte systemy gazowe, w których znajdują się zestawy oczyszczające mieszaninę roboczą. W eksperymentach fizyki cząstek wysokich energii wymagana jest duża stabilność pracy wszystkich typów detektorów. Stabilność pracy detektorów gazowych zależy głównie od stabilności napięć polaryzacji, składu mieszaniny roboczej, jej temperatury i ciśnienia. Przykładem bardzo wysokich wymagań stabilności pracy mogą być komory TPC ze względu na żądaną precyzję pomiarów. I tak przykładowo dla TPC, w eksperymencie ALICE, dla nadciśnienia 0.4 mbara względem ciśnienia atmosferycznego, dopuszczalna zmiana nadciśnienia nie powinna przekroczyć 0.01 mbara, dopuszczalna zmiana temperatury 0.1 K w całej objętości komory (95 m 3 ), a koncentracja tlenu powinna być poniżej 5 ppm [21]. Eksperymenty fizyki cząstek wysokich energii prowadzone są przez kilka lub kilkanaście lat. Wymagana jest zatem stabilna, długoterminowa praca wszystkich elementów składowych eksperymentu. Stabilność długoterminowa detektorów gazowych związana jest głównie ze zjawiskiem starzenia, które polega na zmianie powierzchni elektrod, na których osadzają się warstwy polimerów różnych związków chemicznych. Osady polimerów zmieniają wartość współczynnika wzmocnienia gazowego, zmniejszają energetyczną zdolność rozdzielczą, przyczyniają się do zwiększenia efektu częstościowego i wzrostu prądu ciemnego detektora gazowego. Szybkość zmian starzeniowych uzależniona jest od konstrukcji detektora, składu użytej mieszaniny gazowej, rodzaju i koncentracji zanieczyszczeń gazowych. W każdym eksperymencie fizycznym, w którym stosowane są gazowe detektory promieniowania, należy podjąć prace badawcze mające na celu zapewnienie ich stabilnej 16

23 ROZDZIAŁ 1 pracy. Zapewnienie stabilnej, krótko i długoterminowej pracy detektora gazowego, z pominięciem całego spektrum zagadnień związanych ze stabilnością elektronicznego toru rejestracji, wiąże się z: - zapewnieniem stabilnego składu mieszaniny gazowej, - zapewnieniem jednorodnego przepływu mieszaniny gazowej wewnątrz komory, - zapewnieniem równomierności rozpływu gazu pomiędzy komorami w układach, gdy duża liczba pojedynczych komór jest równolegle przyłączona do systemu zasilania w gaz, - doborem składu mieszaniny roboczej, zapewniającym stabilną pracę komór przy zazwyczaj wymaganym dużym współczynniku wzmocnienia gazowego i mającym dobre własności starzeniowe, - doborem odpowiednich materiałów konstrukcyjnych do budowy detektora i systemu dystrybucji gazu, celem minimalizacji efektów starzeniowych. W celu spełnienia wymienionych warunków konieczna staje się również budowa systemu monitorowania parametrów, mających wpływ na stabilną pracę detektorów gazowych. 17

24 ROZDZIAŁ 2 ROZDZIAŁ 2 AKCELERATOR HERA, DETEKTOR ZEUS Akcelerator HERA, którego poglądowy schemat jest przedstawiony na rysunku 2.1, jest jedynym na świecie zderzaczem przeciwbieżnych wiązek elektron - proton (ep). Decyzja o jego budowie została podjęta w maju 1984 r. Budowę ukończono w listopadzie 1990 r., a latem 1992 r. rozpoczęły się pierwsze zderzenia wraz ze zbieraniem danych fizycznych z detektorów. Tunel akceleratora o przekroju kołowym ma średnicę wewnętrzną 5.2 m i długość 6.3 km. Przebiega na głębokości od 10 do 25 m pod powierzchnią ziemi [22,23] 360 m HALA PÓŁNOCNA H1 R=779 m HALA WSCHODNIA HERMES p e HALA ZACHODNIA HERA B DESY HALA POŁUDNIOWA PETRA ZEUS Rysunek 2.1. Schemat akceleratora HERA z zaznaczonymi miejscami eksperymentów: ZEUS, H1, HERA B i HERMES. Do zakrzywiania wiązki protonowej zostały użyte magnesy nadprzewodzące, wytwarzające pole magnetyczne o natężeniu do 4.6 T. Natomiast w torze wiązki elektronowej wykorzystano magnesy, pracujące w temperaturze pokojowej. Ring elektronowy był wykorzystywany 18

25 ROZDZIAŁ 2 również do przyspieszania pozytonów. Energia wiązki elektronowej lub pozytonowej, po modernizacji w 1994 r., wynosiła 27.5 GeV, natomiast wiązki protonowej 920 GeV od 1998 r. Cząstki na obu ringach pogrupowane były w tzw. pęczki (ang. bunch). Na obwodzie pierścieni znajdowało się 210 pęczków, każdy posiadał od do cząstek. Pęczki przecinały się w punktach oddziaływania (eksperyment ZEUS i H1), co 96 ns pod kątem 0 radianów. Średnia uzyskiwana świetlność w latach wynosiła około cm -2 s -1. W wyniku modyfikacji, polegającej na wprowadzeniu nadprzewodzących magnesów, umożliwiających lepsze ogniskowanie wiązek w obszarze zderzeń, nastąpił około 4-krotny wzrost świetlności, skutkujący wzrostem częstości rejestracji interesujących oddziaływań. Detektor ZEUS był tak zaprojektowany, aby możliwe były badania różnych procesów w oddziaływaniach ep, z możliwością identyfikacji i precyzyjnego pomiaru rozproszonego leptonu oraz końcowych stanów hadronowych [24,25]. Był detektorem o budowie asymetrycznej ze względu na dużą różnicę energii między protonami i elektronami, która powodowała, że produkty interesujących oddziaływań były rejestrowane w wąskim stożku wokół wiązki protonowej. Detektor w kierunku wylotu z detektora wiązki protonowej charakteryzował się większą segmentacją i większą głębokością kalorymetrów (lepsza zdolność rozdzielcza torów i możliwość pomiaru większych energii zarówno w części elektromagnetycznej, jak i hadronowej). Kalorymetry dla cząstek i pęków o energii kilkuset GeV powinny mieć odpowiednio dużą głębokość. Ze względu na koszty niemożliwa była budowa odpowiednio głębokiego głównego kalorymetru. Dlatego otoczono kalorymetr główny kalorymetrem uzupełniającym BAC o mniejszej zdolności rozdzielczej. Rysunek 2.2 przedstawia szkic detektora wraz z jego częściami składowymi i skrótami nazw w języku angielskim. Detektor wierzchołka (ang. Vertex Detector - VXD) był najbliższym punktu interakcji składnikiem ZEUS-a. Jego zadaniem było wykrywanie cząstek o krótkim czasie życia i pomiar współrzędnych przestrzennych torów cząstek. Detektor torów (śladów) cząstek zbudowany z części CTD, FDET, RTD (CTD Central Tracking Detector, FDET Forward Detector, RTD Rear Tracking Detector) umiejscowiony był w centrum detektora ZEUS, dookoła punktu interakcji. FDET składał się z dwóch typów detektorów FTD i TRD (FTD Forward Tracking Detector, TRD Transition Radiation Detector). CTD, RTD i FTD były wielodrutowymi komorami dryfowymi, 19

26 ROZDZIAŁ 2 1m Rysunek 2.2. Szkic detektora ZEUS [25] pracującymi z mieszaniną gazową Ar, CO 2, C 2 H 6 o składzie objętościowym 90:8:2. TRD był gazowym detektorem, przystosowanym do rejestracji promieniowania przejścia, zoptymalizowanym w kierunku identyfikacji elektronów, których pęd zawarty był w przedziale od 1 do 30 GeV/c. Zespół detektorów śladowych, umożliwiających pomiar pędu cząstek naładowanych za pomocą wyznaczenia krzywizny ich torów w polu magnetycznym, otoczony był nadprzewodzącą cewką, zapewniającą osiowe pole magnetyczne o natężeniu 1.43 T. Kalorymetr główny ZEUS-a umożliwiał pomiar energii cząstek wtórnych, będących produktami oddziaływania ep. W jego skład wchodziły części oznaczone skrótami BCAL, 20

27 ROZDZIAŁ 2 FCAL, RCAL (Barrel, Forward, Rear Calorimeter). Zbudowany był z warstw absorbentu i plastikowych scyntylatorów. Absorbentem był zubożony uran o odpowiednio dobranej grubości, zapewniając jednakową odpowiedź kalorymetru dla składowej hadronowej i elektromagnetycznej mierzonych dżetów (pęków). Głębokość poszczególnych części była różna i wynikała z potrzeb podyktowanych kinematyką zderzeń. Kalorymetr zapewniał precyzyjny pomiar depozytu energii, uzyskując w czasie testów energetyczną zdolność rozdzielczą σ(e)/e = 0.18(0.35) /E -1/2 dla elektronów (hadronów). Kalorymetr zbudowany był z podobnych modułów, z których każdy składał się z wielu warstw uranu o grubości 3.3 mm, przedzielonych warstwami scyntylatora o grubości 2.6 mm. FCAL i BCAL podzielone były na trzy sekcje: elektromagnetyczną i dwie następujące po sobie sekcje hadronowe. Wewnętrzna elektromagnetyczna część kalorymetru miała całkowicie absorbować kaskady inicjowane przez rozproszone elektrony w spodziewanym zakresie energii. Wewnątrz części elektromagnetycznej umieszczona była warstwa krzemowych detektorów płytkowych, której zadaniem była identyfikacja elektronów w dżetach (HES Hadron Electron Separator). Kalorymetr uzupełaniajacy BAC (BAcking Calorimeter) otaczał z zewnątrz główny kalorymetr. Jego zadaniem był pomiar energii wysokoenergetycznych kaskad hadronowych, wypływających z kalorymetru uranowego. W następnym rozdziale przedstawiony jest dokładniejszy opis jego funkcji i budowy. Spektrometr mionów był najbardziej zewnętrzną warstwą detektora ZEUS. Podobnie jak pozostałe komponenty był bardziej rozbudowany w kierunku wylotu wiązki protonowej z detektora ZEUS ( do przodu ). Ta część oznaczona jest skrótem FMUON. Część boczną BMUON i tylną RMUON stanowiły warstwy wielosekcyjnych, z pojedynczym drutem anodowym, dryfowych komór gazowych, umieszczonych odpowiednio wewnątrz i na zewnątrz jarzma elektromagnesu. Komory te posiadały katodowe paski odczytu, umożliwiające wyznaczenie położenia miejsca jonizacji wzdłuż drutu anodowego. Warstwy komór wewnątrz i na zewnątrz elektromagnesu wyznaczały kierunek ruchu mionu. Na podstawie zmiany kierunku ruchu mionu, przy przejściu przez jarzmo elektromagnesu, określany był jego pęd. Każdy segment BMUON i RMUON stanowiły cztery warstwy gazowych komór, pracujących przy niewielkim nadciśnieniu względem ciśnienia atmosferycznego, w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego (ang. limited streamer). Mieszaniną roboczą był argon i 2 metylopropan (izobutan) o składzie objętościowym %. Detekcyjnym elementem FMUON były wielodrutowe komory dryfowe, które pracowały również w zakresie ograniczonego wyładowania strimerowego przy 21

28 ROZDZIAŁ 2 niewielkim nadciśnieniu z mieszaniną gazową Ar, CO 2, CH 4, o koncentracji poszczególnych składników 90:9:1. Pozostałe najistotniejsze elementy składowe detektora ZEUS, niezaznaczone na schemacie, to monitor świetlności LUMI (zaprojektowany przez prof. L. Suszyckiego - MIFiTJ AGH, a wykonany przez grupę fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie), ściana Veto i spektrometr wiodących protonów. Do pomiaru świetlności wykorzystano proces hamowania elektronu w polu elektromagnetycznym protonu (proces Bethego Heitlera), ep eγp, którego przekrój czynny jest znany teoretycznie z bardzo dużą precyzją. W skład monitora świetlności weszły dwa detektory. Oddalony o 107 m od punktu interakcji detektor fotonów oraz oddalony o 35 m detektor elektronów (pozytonów), usytuowany za magnesem zaginającym wiązkę, który działał jako spektrometr, wydzielający z wiązki elektrony, które utraciły część swojej energii na emisję fotonu. Ściana Veto to detektor, który miał na celu wykrywanie cząstek, poruszających się poza wiązką protonową (tzw. halo wiązki). W momencie wykrycia takiego przypadku, dane z tego zderzenia były odrzucane. Zbudowany był z dwóch warstw detektorów scyntylacyjnych umieszczonych po obu stronach stalowego bloku o grubości 87 cm jako pasywnego absorbentu. Spektrometr wiodących protonów LPS (Leading Proton Spectrometer), którego zadaniem było wykrywanie i pomiar pędu rozproszonych protonów, których pęd poprzeczny był mniejszy niż 1 GeV/c, a pęd całkowity nie mniejszy niż 0.3 pędu protonu w wiązce. W skład LPS wchodziło 6 hodoskopów, zbudowanych z krzemowych detektorów paskowych, umieszczonych w odległości od 24 do 90 m od punktu interakcji. 22

29 ROZDZIAŁ 3 ROZDZIAŁ 3 KALORYMETR UZUPEŁNIAJĄCY BAC Rolą kalorymetru uzupełniającego BAC był pomiar energii dżetów hadronowych, wychodzących z kalorymetru głównego oraz poprawa wydajności detekcji w spektrometrze mionów. W eksperymencie ZEUS kalorymetr główny i kalorymetr uzupełniający były kalorymetrami próbkującymi, których cechą jest naprzemienne ułożenie warstw absorbentu i warstw aktywnych. Warstwy aktywne, będące detektorami promieniowania, są źródłem sygnału elektrycznego, którego amplituda powinna być miarą energii absorbowanej cząstki pierwotnej wraz z wytworzoną przez nią kaskadą cząstek wtórnych. 3.1 BUDOWA KALORYMETRU Warstwami absorbentu kalorymetru uzupełniającego były stalowe płyty, a warstwami aktywnymi wielosekcyjne gazowe komory proporcjonalne z pojedynczym drutem anodowym w każdej sekcji. Stalowe płyty o grubości 73 mm stanowiły równocześnie jarzmo elektromagnesu spektrometru mionów. Pomiędzy płytami znajdowały się szczeliny o grubości 37 mm, w których zostały umieszczone detektory gazowe. Jarzmo, którego szkic przedstawiony jest na rysunku 3.1, miało kształt zbliżony do graniastosłupa ośmiokątnego. Rura akceleratora przechodziła przez otwory w podstawach graniastosłupa. Ściany boczne graniastosłupa (ang. barrel, bottom) zbudowane były z 10 płyt i 9 warstw komór. Jedna podstawa graniastosłupa (ang. end-cup) w kierunku wylotu protonów z detektora ZEUS składała się z 11 płyt i 10 warstw komór, natomiast druga podstawa z 8 płyt i 7 warstw komór. W szczeliny ścian bocznych (barrel u) zostały z obu stron wsunięte komory o długości 4.5 i 5.5 m, umieszczone w ten sposób, że w kolejnej szczelinie jarzma komory krótsze leżą nad dłuższymi. Taki sposób ułożenia minimalizował powierzchnię stref martwych w kalorymetrze. W szczeliny bottom u zostały wsunięte komory długości 7.3 m. Ze względu na kształt podstaw ich szczeliny wypełnione były komorami o długości od 1.8 do 3.6 m. 23

30 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.1. Szkic jarzma elektromagnesu [25]. Pojedyncza komora stanowiła 7 lub 8 sekcyjny detektor gazowy, o przekroju poprzecznym pojedynczej sekcji 11 x 15 mm. Komory posiadały wyjścia sygnałowe z drutów anodowych i z katod sygnałowych. Na rysunku 3.2 pokazany jest schemat budowy komory. Specjalny profil duraluminiowy był zarówno katodą detektora, jak i głównym elementem konstrukcyjnym. Do zamontowanych na obu końcach komory płytek drukowanych przylutowane były naciągnięte druty anodowe z wolframu złoconego o średnicy 50μm. Ścieżki na przedniej płytce drukowanej zapewniały wyprowadzenie sygnałów z drutów anodowych na zewnątrz komory. Druty anodowe podpierane były, co około 50 cm, specjalnie ukształtowanym elementem plastikowym, który równocześnie zapewniał izolację i właściwe położenie katody sygnałowej. Katody sygnałowe wykonane były z blachy duralowej o grubości 0.7 mm i długości około 50 cm i dzieliły długość całej komory na segmenty, umożliwiając lokalizację przejścia cząstki lub kaskady wzdłuż drutu anodowego z dokładnością do długości segmentu. Całość zamknięta była pokrywą i odpowiednimi korkami na obu końcach. W korku przednim, oprócz wyprowadzeń sygnałów z drutów anodowych, znajdowały się dwa złącza gazowe. Wewnętrzna rurka poliuretanowa doprowadzała gaz ze 24

31 ROZDZIAŁ 3 złącza wejściowego na przeciwległy koniec komory, zapewniając przepływ gazu licznikowego od tyłu w kierunku przodu. Rysunek 3.2. Elementy montażowe 8 sekcyjnej komory kalorymetru BAC. 3.2 SYSTEM ODCZYTU ELEKTRONICZNEGO Komory kalorymetru BAC posiadały odczyt zarówno z drutów anodowych, jak i katod sygnałowych. Schemat blokowy systemu odczytu prezentowany jest na rysunku 3.3. Rezystor o wartości 12 MΩ, wpięty szeregowo w obwodzie polaryzacji anody, spełniał rolę ogranicznika prądu w przypadku zwarcia elektrycznego wewnątrz komory, jak i zapewniał przekaz indukowanego impulsu prądowego w obwodzie anody prawie w całości do przedwzmacniacza prądowego (konwertera prądowo-napięciowego). Przedwzmacniacz prądowy posiadał wyjścia symetryczne, z których jedno było wykorzystywane w systemie rejestracji toru cząstek, drugie w systemie pomiaru kalorymetrycznego. Dalszymi elementami systemu rejestracji toru były dyskryminatory z ustawionym progiem dyskryminacji poniżej poziomu sygnału, odpowiadającemu przejściu cząstki minimalnie jonizującej, odpowiednio głęboki rejestr przesuwny oraz układy transmisji i obróbki danych. Część kalorymetryczna składała się z sumatorów analogowych, do których podłączone były sygnały z drutów anodowych, tworząc tzw. wieże drutowe oraz układów kształtowania impulsów i przetworników analogowo cyfrowych (ADC). W celu rozszerzenia dynamicznego zakresu 25

32 ROZDZIAŁ 3 Drut anodowy 12MΩ 1nF Zasilacz wysokiego napięcia HVPS (0-3000V) NH SYSTEM REJESTRACJI TORU DYSKRYMINATOR REJESTR PRZESUWNY BUFOR VME TRANSPUTERY ADC(FLASH) Katody sygnałowe sąsiadujących czterech komór ~100Ω k=2x12,5 mv/μa 1 8 Σ 1 10 Σ OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) K V=1 OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) K V=10 ~120Ω 1 10 Σ 1 16 Σ OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) OBW. KSZTAŁT. (SHAPER) CZĘŚĆ KALORYMETRYCZNA WIEŻE DRUTOWE, WIEŻE KATODOWE Rysunek 3.3. Schemat blokowy systemu odczytu elektronicznego z komór gazowych kalorymetru BAC. pomiarowego, sygnały były rozdzielane na dwa równoległe tory o małym ( K V = 1) i dużym ( K V = 10) wzmocnieniu napięciowym, co odpowiadało depozytowi energii odpowiednio około 100 GeV i 10 GeV. Sąsiadujące cztery ( w niektórych przypadkach 3 lub 2) komory jednej warstwy miały połączone równolegle ze sobą kolejne katody sygnałowe, tworząc obszary o wymiarach 50 cm x 50 cm i dołączone były do przedwzmacniaczy prądowych. Przedwzmacniacze te miały inną budowę niż przedwzmacniacze pracujące w obwodzie anodowym, ze względu na dużą pojemność połączonych równolegle katod sygnałowych, dochodzącą do 1.5 nf, jak i inne parametry amplitudowe oraz czasowe indukowanych impulsów. Dalsza budowa toru była zbliżona do kalorymetrycznej części odczytu z drutów anodowych, tworząc tzw. wieże katodowe. Depozyt energii w kalorymetrze był wyznaczany na postawie amplitudy sygnału z wież drutowych, które rozciągały się na pełną głębokość kalorymetru. Natomiast lokalizacja depozytu energii wzdłuż drutu dokonywana była na postawie sygnałów z wież katodowych. Czas dryfu elektronów w kierunku anody jest uzależniony od miejsca jonizacji pierwotnej i wynosił w geometrii pojedynczej sekcji komory kalorymetru, przy napięciu polaryzacji 1785V, maksymalnie około 220 ns. Tak duże rozmycie czasowe, w stosunku do czasu pomiędzy kolejnymi zderzeniami elektron - proton w punkcie interakcji (co 96 ns), wymagało odpowiednio zawansowanego systemu obróbki danych i ekstrakcji potrzebnych wielkości. 26

33 ROZDZIAŁ 3 System ten również rozpoznawał i odrzucał przypadki bardzo dużych sygnałów, wykreowanych przez kaskady, zapoczątkowane wysokoenergetycznymi neutronami lub przez możliwe wyładowania iskrowe w komorze. 3.3 ENERGETYCZNA ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA KALORYMETRU BAC Pomiar energii cząstki w kalorymetrze oparty jest na pomiarze energii zdeponowanej w jego objętości przez cząstkę pierwotną i cząstki wykreowanej kaskady. Suma długości śladów T w kalorymetrze wszystkich cząstek kaskady jest proporcjonalna do energii E cząstki pierwotnej, T E [26]. W kalorymetrze próbkującym o grubości d pojedynczej warstwy absorbentu, ilość przecięć warstw aktywnych wynosi średnio T/d. Z każdym przejściem cząstki przez warstwę aktywną wiąże się jonizacja średnio n atomów gazu roboczego, zatem średni całkowity ładunek N, wykreowany we wszystkich warstwach aktywnych, przy pełnym pochłonięciu cząstki i współczynniku wzmocnienia gazowego A, jest proporcjonalny do N E n A d. Rozwój kaskad hadronowych w warstwach absorbentu oraz proces jonizacji pierwotnej i wtórnej w komorze proporcjonalnej ma charakter statystyczny. Oznacza to, że sygnał kalorymetru dla identycznych cząstek o tej samej energii podlega fluktuacjom. Fluktuacje statystyczne, związane są z: fluktuacjami rozwoju kaskady hadronowej, fluktuacjami próbkowania (to jest ze statystyką podziału depozytu energii absorbent - warstwa aktywna), statystycznym rozkładem strat jonizacyjnych pojedynczej cząstki w warstwie aktywnej (rozkład Landaua) oraz statystycznym charakterem rozwoju lawin elektronowo - jonowych w obszarze mnożenia lawinowego, gazowego detektora proporcjonalnego. Przyjmując, że wszystkie wymienione procesy są niezależne, otrzymujemy, że odchylenie standardowe ( N) N ( E) 27 E. Zatem energetyczna zdolność rozdzielcza kalorymetru zależy od statystycznego charakteru procesów, które przyczyniają się do względnego rozmycia sygnału i wynosi współczynnikiem proporcjonalności. ( E) E a E, gdzie a jest Sygnał kalorymetru uzależniony jest również od kąta padania cząstki (różne długości drogi w absorbencie i w warstwie aktywnej), od jednorodności budowy kalorymetru (występujące obszary nieaktywne) dając stały niezależny od energii cząstki σ 0 przyczynek do względnego rozmycia sygnału. Szumy toru elektronicznego, stowarzyszonego z komorami, są niezależne od amplitudy sygnału wejściowego, który jest proporcjonalny do energii cząstki. Zatem kontrybucja do

34 ROZDZIAŁ 3 względnego rozmycia sygnału wynosi b E, gdzie b jest współczynnikiem proporcjonalności, zależnym od średniokwadratowej amplitudy szumów toru elektronicznego. Energetyczna zdolność rozdzielcza hadronowego kalorymetru próbkującego jest wypadkową wszystkich wymienionych czynników i może być wyrażona w postaci równania: ( E) E a E 2 2 b E 2 0. (3.1) W celu przetestowania i kalibracji kalorymetru uzupełniającego został zbudowany prototyp tzw. moduł testowy, składający się z 11 płyt stalowych o wymiarach 2 m x 2 m i grubości identycznej, jak w kalorymetrze docelowym. Szczeliny modułu testowego wypełnione były krótkimi komorami 8-sekcyjnymi. Moduł testowany był w Europejskim Ośrodku Fizyki Jądrowej (CERN) wysokoenergetycznymi elektronami, mionami i hadronami. Szczegółowe wyniki zawarte w [27] można podsumować następująco: odpowiedź kalorymetru była liniową funkcją energii cząstki, w przedziale energii dla elektronów od 10 do 30 GeV, dla hadronów od 10 do 100 GeV, energetyczna zdolność rozdzielcza wynosiła 85 % E -1/2 dla elektronów i 120 % E -1/2 dla hadronów, (E w GeV). Dla kalorymetru BAC energetyczną zdolność rozdzielczą w sposób dominujący wyznaczał składnik statystyczny, stąd prezentowane wartości liczbowe uzależnione są jedynie od E -1/2. 28

35 ROZDZIAŁ 4 ROZDZIAŁ 4 KOMORA PROPORCJONALNA JAKO ELEMENT WARSTWY AKTYWNEJ KALORYMETRU BAC Działanie każdego gazowego detektora proporcjonalnego uzależnione jest od rodzaju i ciśnienia użytej mieszaniny roboczej, od napięcia polaryzacji elektrod oraz od geometrii detektora. Dla detektora przepływowego, jakim były komory kalorymetru, istotne są również zmiany ciśnienia mieszaniny roboczej, wynikające ze zmian ciśnienia atmosferycznego, zmiany temperatury pracy detektora i koncentracja gazów resztkowych (zanieczyszczeń). Zagadnienia te są kolejno omówione w kolejnych częściach rozdziału. 4.1 WŁASNOŚCI MIESZANINY GAZOWEJ AR + CO 2 Przepływowe komory kalorymetru BAC pracowały z mieszaniną na bazie argonu, w której czynnikiem gaszącym był tlenek węgla (IV). Zestaw mieszający mógł wytwarzać mieszaninę roboczą w szerokim zakresie koncentracji CO 2, niemniej jednak przez prawie cały okres eksploatacji kalorymetru BAC była ona utrzymywana na poziomie 13%. Tabela 4.1 zawiera wykaz własności gazów Ar i CO 2 jako składników mieszaniny roboczej detektora proporcjonalnego. Dane te umożliwiają analizę procesów, zachodzących w mieszaninie w czasie pracy detektora. W obszarze jonizacji pierwotnej i w obszarze mnożenia lawinowego, oprócz jonizacji atomów lub cząsteczek gazu opisanych równaniem (A.3, A.11), zachodzi też proces ich wzbudzania, co wyraża równanie ( A.1, A.2). Pierwszy potencjał jonizacji CO 2 jest wyższy od energii obu poziomów metastabilnych argonu, co wyklucza możliwość zajścia metastabilnego efektu Penninga opisanego równaniem (A.15), który wydatnie zwiększa liczbę swobodnych ładunków jonizacji pierwotnej, całkowitej i lawinowej. Dwa rezonansowe stany wzbudzone atomów argonu o energiach wyższych niż pierwszy potencjał jonizacji CO 2 umożliwiają wystąpienie nie-metastabilnego efektu Penninga (proces opisany równaniem (A.13) z niskim prawdopodobieństwem zajścia, niemniej obserwowany dla tej mieszaniny [28]). Średnia energia na parę jonów W J nie jest stała i zmienia się w niewielkim zakresie w zależności od rodzaju cząstki jonizującej i jej energii. Dla argonu W J wynosi 26.4 ev w przypadku jonizacji przez cząstkę α, a ev w przypadku jonizacji przez proton [29]. Dla 29

36 ROZDZIAŁ 4 Gaz Z A ρ [kg/m3] E * /E m [ev] Ar 18 39, poziomy rezonansowe 3p 5 ( 2 P 0 3/2)5s 3p p 5 ( 2 P 0 1/2)5s 3p p 5 ( 2 P 0 3/2)4s 3p p 5 ( 2 P 1/2 0 )4s 3p poziomy metastabilne 3p 5 4s 3 P p 5 4s 3 P CO poziom rezonansowy 5.2 E J W J [ev] [ev] de/dx n P n T [kev/cm] [n/cm] [n/cm] Tabela 4.1. Własności argonu i tlenku węgla (IV) w warunkach normalnych (1013 hpa, 293 K). Tabela przedstawia kolejno liczbę atomową, liczbę masową, gęstość, energię poziomów wzbudzeń, pierwszy potencjał jonizacji, średnią energię na parę jon-elektron i średnią energię traconą, średnią liczbę jonizacji pierwotnej (n P ) oraz średnią liczbę jonizacji całkowitej (n T ) na jednostkę długości drogi cząstki minimalnie jonizującej.[2, 29, 30] dwuskładnikowych mieszanin gazów wielu autorów (Bortner, Hurst, Stricler) podjęło próby ustalenia formuły na W J, ale wszystkie one zawierają czynnik wyznaczany doświadczalnie. W mieszaninach, w których zachodzi efekt Penninga W J, ulega obniżeniu i tak dla mieszaniny Ar + 13%C0 2, ze względu na możliwość zajścia nie-metastabilnego efektu Penninga, wynosi on około 26.2 ev. W komorach kalorymetru BAC, o przekroju pojedynczej sekcji 11x15 mm 2, minimalna długość toru cząstki wynosi 11mm. Cząstka minimalnie jonizująca na tej długości toru pozostawi średnio 102 pary jonów. Niższy pierwszy potencjał jonizacji molekuły CO 2 niż atomu Ar sprawia, że w czasie dryfu jonów Ar + następuje, w wyniku wzajemnego oddziaływania, proces transferu ładunku opisany równaniem (A.6). Przy uwzględnieniu koncentracji molekuł CO 2 w mieszaninie, ich prędkości i średniej drogi swobodnej w warunkach normalnych otrzymano, że proces transferu ładunku zachodzi w czasie do 1.8 μs ( przy założeniu, że prawdopodobieństwo transferu w pojedynczym zderzeniu wynosi nie mniej niż [2]). Dokonujący się proces transferu sprawia, że docierające do katody jony to w większości jony CO + 2. Ruchliwość jonów Ar + i CO + 2 ma wartości zbliżone (tabela 4.2), a więc proces transferu nieznacznie wpływa na zmianę prędkości dryfu ładunków dodatnich w detektorze. 30

37 PRĘDKOŚĆ DRYFU ELEKTRONÓW [cm/ s] ROZDZIAŁ 4 JON GAZ RUCHLIWOŚĆ [cm 2 V -1 s -1 ] Ar + Ar 1.7 CO 2 + CO 2 + CO 2 + Ar 1.72 CO Ar + 13%CO Tabela 4.2. Ruchliwość jonów Ar + i CO 2 + w różnych gazach w warunkach normalnych. Dla mieszanin ruchliwość można wyznaczyć na podstawie prawa Blanc-a. [2] % 2 10% 15% 1 21% NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO [V/cm] Rysunek 4.1. Prędkość dryfu elektronów w mieszaninie Ar + CO 2 w funkcji natężenia pola elektrycznego przy ciśnieniu 1013,25 hpa dla różnych koncentracji CO 2.[31] Prędkość dryfu elektronów jest uzależniona zarówno od natężenia pola elektrycznego, jak i od koncentracji CO 2 w mieszaninie. Zależności te prezentowane są na rysunku 4.1. W zakresie koncentracji CO 2 od 5 do 21 % prędkość dryfu elektronów maleje ze wzrostem koncentracji przy ustalonym natężeniu pola elektrycznego. Powrót do stanu podstawowego wzbudzonych do poziomu rezonansowego atomów argonu, opisany równaniem (A.12), wiąże się z emisją fotonów o energiach zależnych od energii wzbudzeń, które wyszczególnione są w tabeli 4.1. Energie tych fotonów przekraczają energię dysocjacji cząsteczki CO 2 do CO i O, która wynosi 4.5 ev. W związku z tym proces absorpcji tych fotonów przez molekułę CO 2 związany jest z jej dysocjacją (równanie A.20). 31

38 ROZDZIAŁ 4 Również proces zobojętniania docierających do katody jonów CO + 2 będzie się wiązał z dysocjacją cząsteczki CO 2 ( równanie A.21). Mieszanina Ar + 13% CO 2 zapewnia możliwość uzyskania wysokich stabilnych wzmocnień gazowych. Wyznaczone wartości współczynnika wzmocnienia gazowego A γ, w zależności od napięcia polaryzacji anody w geometrii pojedynczej sekcji komory kalorymetru dla różnych koncentracji CO 2, prezentowane są na rysunku 4.2. Elektron w strefie silnych pól wskutek zderzeń z molekułami CO 2 traci energię na rotacyjno wibracyjne stany wzbudzone cząsteczki, a więc przy wzroście koncentracji CO 2 w mieszaninie, przy ustalonym napięciu polaryzacji, maleje wartość współczynnika wzmocnienia gazowego. Komory kalorymetru przez cały czas trwania eksperymentu pracowały przy napięciu polaryzacji 1785 V. co zapewniało wartość współczynnika wzmocnienia gazowego na poziomie WARTOŚĆ WSPÓŁCZYNNIKA WZMOCNIENIA GAZOWEGO A NAPIĘCIE POLARYZACJI [V] 15% 14% 13% 12% 11% 10% Rysunek 4.2. Współczynnik wzmocnienia gazowego Aγ dla mieszaniny Ar + CO 2, dla sekcji komory kalorymetru uzupełniającego BAC, przy ciśnieniu 1020 hpa i temperaturze C. 32

39 ROZDZIAŁ PRZESTRZENNY ROZKŁAD NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO, GENERACJA SYGNAŁU I CZAS DRYFU JONÓW W KOMORZE KALORYMETRU Pojedyncza sekcja komory kalorymetru o przekroju poprzecznym 11x15 mm 2 jest układem trójelektrodowym, składającym się z anody, katody zbiorczej i katody sygnałowej. Rysunek 4.3A prezentuje rozkład potencjału w pojedynczej sekcji komory przy zasilaniu anody napięciem 1785V. Wyznaczony rozkład natężenia pola elektrycznego umożliwia wyznaczenie rozkładu przestrzennego prędkości dryfu elektronów i jonów. Niezbędna przy korzystaniu z twierdzenia Ramo-Shockley a (równanie A.26) jest znajomość rozkładu (r), który jest natężeniem pola elektrycznego, w punkcie określonym wektorem położenia r, wytworzonym przez jednostkowe napięcie polaryzacji elektrody k detektora, przy uziemieniu wszystkich pozostałych. Rozkład potencjału prezentowany na rysunku 4.3 B posłużył do wyznaczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego (r) i umożliwił określenie kształtu impulsu prądowego z katody sygnałowej. Wyznaczone przebiegi czasowe indukowanych impulsów w obwodzie anody i katody sygnałowej prezentowane są na rysunku 4.4. W k W k A B Rysunek 4.3. Linie ekwipotencjalne na powierzchni przekroju pojedynczej sekcji 11x15 mm, drut anodowy r A =25 μm. A potencjał drutu anodowego 1785V (napięcie robocze komór kalorymetru uzupełniającego), katoda zbiorcza i sygnałowa na potencjale 0V, linie wykreślono co 57.58V, B katoda sygnałowa na potencjale 1V, anoda i katoda zbiorcza na potencjale 0V, linie wykreślono co 0.032V. (Obliczeń dokonano pakietem programowym Poisson Superfish z LANL.) 33

40 I A [ A] I K [ A] ROZDZIAŁ 4 A B 0-1 0,30-2 0,25-3 0,20-4 0,15-5 0,10-6 0,05-7 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 CZAS [ s] 0,00 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 CZAS [ s] Rysunek 4.4. Kształt impulsu prądowego, indukowanego w obwodzie elektrycznym danej elektrody w pojedynczej sekcji komory kalorymetru, wyznaczonego z twierdzenia Ramo przy założeniach: jonizacja pierwotna punktowa n T =102 par elektron-jon, wzmocnienie gazowe A γ = , zerowa rezystancja obwodu stowarzyszonego z elektrodami, zaniedbana składowa elektronowa impulsu, ładunek wykreowany wokół anody ma rozkład symetryczny, drut anodowy r A =25 μm, napięcie polaryzacji anody 1785 V, mieszanina robocza Ar + 13% CO 2 w warunkach normalnych. A natężenie prądu indukowanego w obwodzie anody, B natężenie prądu indukowanego w obwodzie katody sygnałowej. A B 4 CZAS W NS 4 CZAS W S Rysunek 4.5. Linie jednakowego czasu dryfu na powierzchni przekroju pojedynczej sekcji 11 x 15 mm 2, drut anodowy r A =25 μm, mieszanina robocza Ar + 13% CO 2 w warunkach normalnych, potencjał anody 1785 V. A - linie jednakowego czasu dryfu elektronów w kierunku powierzchni anody, B linie jednakowego czasu dryfu jonów Ar + /CO 2 + od anody do powierzchni katody. 34

41 ROZDZIAŁ 4 Impulsy prądowe, otrzymane w wyniku teoretycznych obliczeń, bardzo dobrze pokrywają się z rzeczywistymi przebiegami. Impuls prądowy z anody ma dużo większą amplitudę i krótszy czas trwania niż impuls prądowy z katody sygnałowej. Dlatego tory elektroniczne, stowarzyszone z anodą lub z katodą sygnałową, musiały posiadać różne wartości stałych czasowych w układach kształtowania impulsów. Rozkład natężenia pola elektrycznego w bliskiej odległości od drutu anodowego jest rozkładem prawie identycznym jak dla licznika cylindrycznego, posiadającego katodę o promieniu równym tzw. efektywnemu promieniu katody. Na podstawie wyznaczonego rozkładu pola wyznaczono efektywny promień katody, który wynosi 6.4 mm (± 0.2 mm). W gazowych detektorach promieniowania występują obszary, w których natężenie pola elektrycznego jest mniejsze niż to, które zapewnia efektywny rozdział elektronów i jonów oraz zapobiega ich wzajemnej rekombinacji. Dla mieszaniny Ar + CO 2 w warunkach normalnych, na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej komory płaskiej, wyznaczonej przy użyciu źródła promieniotwórczego 90 Sr, określono natężenie pola elektrycznego, przy którym zanika proces rekombinacji i wynosi ono 13.3 V/cm. W sekcji komory kalorymetru przy napięciu polaryzacji 1785 V w zaledwie 0.02% jej objętości (w narożach) natężenie pola elektrycznego jest mniejsze od wyznaczonej wartości. Przestrzenny rozkład czasów dryfu elektronów od miejsca jonizacji pierwotnej do obszaru mnożenia lawinowego tuż przy powierzchni anody pokazany jest na rysunku 4.5 A. Duże czasowe rozmycie w dotarciu elektronów jonizacji pierwotnej do strefy wzmocnienia skutkuje rozciągnięciem w czasie i zmniejszeniem amplitudy indukowanych impulsów prądowych zarówno w obwodzie anody jak i katody sygnałowej. Układy kształtowania impulsów, zastosowane w elektronicznym torze rejestracji, wydłużają czas trwania wierzchołka impulsu do około 100 ns (w obwodzie anody), kompensując znacznie, ale nie całkowicie skutki tego rozmycia. Długi w porównaniu z elektronami czas dryfu jonów przyczynia się do wzrostu ładunku przestrzennego w objętości czynnej detektora, co skutkuje zmniejszeniem się natężenia pola elektrycznego w strefie wzmocnienia, przy bardzo dużych częstościach rejestracji. 4.3 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AMPLITUDĘ SYGNAŁU Z KOMORY KALORYMETRU Przy ustalonej geometrii komory proporcjonalnej i stałej jonizacji pierwotnej, amplituda sygnału z komory zależy w decydującej mierze od wielkości współczynnika wzmocnienia 35

42 WZGLĘDNA ZMIANA AMPLITUDY SYGNAŁU [%] ROZDZIAŁ 4 gazowego. Wzmocnienie gazowe silnie zależy od rozkładu natężenia pola elektrycznego powyżej progu, przy którym następuje mnożenie lawinowe elektronów. Zagadnienie wpływu odchylenia położenia drutu anodowego od położenia centralnego oraz wpływu dyslokacji katody odczytowej na amplitudę sygnałów z komory kalorymetru BAC jest szeroko omówione w pracy [32]. Zagadnienia te były istotne na etapie produkcji i testowania komór kalorymetru. Pozostałe czynniki, warunkujące wielkość wzmocnienia gazowego, to skład mieszaniny gazowej, temperatura i ciśnienie pracy. Wpływ koncentracji CO 2 w mieszaninie został omówiony w paragrafie 4.1, nie mniej znaczenie mają również koncentracje innych gazów, które znajdują się w mieszaninie w postaci gazów resztkowych, pochodzących jako zanieczyszczenie dostarczanego gazu, bądź jako rezultat odgazowywania się żywic epoksydowych i elementów plastikowych, użytych do budowy komór, oparów smarów zaworowych, olejów, jako rezultat nieszczelności i dyfuzji przez ścianki. Wpływ koncentracji niektórych gazów resztkowych był dokładnie badany. Rysunek 4.6 przedstawia wpływ koncentracji powietrza na amplitudę sygnału z komory kalorymetru (wpływ koncentracji czystego tlenu, czystego azotu i powietrza na amplitudę jest zbliżony). Natomiast energetyczna zdolność rozdzielcza wraz ze wzrostem koncentracji domieszki pogarsza się najbardziej dla tlenu, dużo mniej dla powietrza i bardzo nieznacznie dla czystego azotu. Według specyfikacji dostawcy gazów dla eksperymentu koncentracja gazów resztkowych w mieszaninie Ar + 13% CO 2 nie powinna przekroczyć 0 1,10-1 1,05-2 1, R oi 0,95 0,90 0,85-6 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 KONCENTRACJA POWIETRZA W MIESZANINIE [%] 0,80 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 PRZEPŁYW [n wymian/24h] Rysunek 4.6. Zależność względnej zmiany amplitudy impulsu z pojedynczej sekcji komory kalorymetru od koncentracji powietrza w mieszaninie Ar + 15% CO 2 [33]. Rysunek 4.7. Związek parametru R oi z liczbą wymian gazu na dobę [34]. 36

43 ROZDZIAŁ 4 0,007%. Zanieczyszczenia dostarczanego gazu nie były dominujące, gdyż największy wpływ miał proces odgazowywania materiałów użytych do budowy komór i systemu dystrybucji mieszaniny gazowej. Koncentracja zanieczyszczeń, związanych z desorpcją powierzchniową, maleje wraz ze wzrostem liczby wymian gazu na dobę. Ze względów ekonomicznych zasadnym była optymalizacja częstości wymiany gazu dla tak dużej objętości czynnej komór kalorymetru. W układzie zbudowanym z dwóch grup, posiadających po 4 liczniki przepływowe połączone szeregowo, w którym jedna grupa była włączona na wejściu a druga na wyjściu zespołu 4 komór kalorymetru, Machowski [34] badał zależność amplitudy sygnału z detektora i energetycznej zdolności rozdzielczej w grupach liczników wejściowych i wyjściowych od liczby wymian gazu na dobę. Przy użyciu 55 Fe źródła mono-energetycznych fotonów promieniowania X (linia Mn K α kev) wyznaczył parametr R oi będący stosunkiem położenia piku w widmie energetycznym liczników wyjściowych do położenia tego piku w widmie energetycznym liczników wejściowych. Uzyskany rezultat, prezentowany na rysunku 4.7, wskazuje, że nie ma wyraźnej granicy w przepływie, powyżej której parametr R oi byłby stały i zbliżony do wartości 1 w badanym zakresie przepływów. Machowski nie obserwował również zmian energetycznej zdolności rozdzielczej w badanym zakresie przepływów. Przyjęto, że zakres przepływów od 1 do 1.2 wymiany na dobę jest ekonomicznie akceptowalny i wystarczający dla poprawnej pracy komór. Współczynnik wzmocnienia gazowego w licznikach proporcjonalnych dla określonego składu mieszaniny zależy od gęstości cząsteczek. Wraz ze wzrostem gęstości cząsteczek maleje średnia droga swobodna elektronów, a zatem maleje również prawdopodobieństwo uzyskania energii, wystarczającej na oddziaływania jonizacyjne elektronu z atomem lub cząsteczką gazu. Dla mieszaniny stosowanej w kalorymetrze, zmierzono zmiany położenia piku linii Mn K α w widmie energetycznym, w zależności od temperatury i ciśnienia dla różnych napięć polaryzacji anody i różnych koncentracji CO 2 w mieszaninie, w zakresie wartości spodziewanych w czasie pracy kalorymetru [33, 35]. Przykładowe zależności prezentowane są na rysunku 4.8. Zmiana temperatury o 1 K przy temperaturze 293 K wywołuje zmianę położenia piku o 2.45 %(±0.22 %) (współczynnik temperaturowy β T ). Zmiana ciśnienia o 1 hpa przy ciśnieniu 1035 hpa wywołuje zmianę położenia piku o %(±0.003 %) (współczynnik ciśnieniowy β p ). Z równania gazu doskonałego otrzymujemy relację β T = β p (dla 293K i 1035 hpa), która jest spełniona w granicach błędów określenia obu współczynników. 37

44 PO ŁOŻENIE PIKU LINII Mn K [kan. ADC] PO ŁOŻENIE PIKU LINII Mn K [kan. ADC] ROZDZIAŁ 4 A B DOPASOWANIE PROSTĄ PP=A+B*T A=64,64 +/- 5,92 B=6,01 +/- 0, DOPASOWANIE PROSTĄ PP=A+B*p A=1468,47 +/- 6,04 B=-1,24 +/- 0, DOPASOWANIE PARABOLĄ PP=A+B*T+ C*T 2 A=124,56 +/- 3,67 B=1,71 +/- 0,25 C=0,07 +/- 0, TEMPERATURA, T[ 0 C] CIŚNIENIE, p [hpa] Rysunek 4.8. Położenie piku linii Mn K α dla komory kalorymetru BAC, przy HV=1780 V i mieszaninie Ar+15%CO 2, w zależności od temperatury (A), w zależności od ciśnienia mieszaniny (B) [35]. 38

45 ROZDZIAŁ 5 ROZDZIAŁ 5 UKŁAD ZASILANIA W MIESZANINĘ GAZOWĄ KOMÓR KALORYMETRU UZUPEŁNIAJĄCEGO Układ zasilania w mieszaninę gazową komór kalorymetru uzupełniającego BAC zrealizowano w oparciu o trzy założenia. Po pierwsze, system miał być układem otwartym gaz roboczy Ar+CO 2 przepływa przez układ i opuszcza go po jednokrotnym przepłukaniu komory. Układ zasilania powinien umożliwiać użytkownikowi regulację koncentracji tlenku węgla (IV) w mieszaninie w zakresie od 10 do 15%. Przyjęto, że komory będą pracowały przy niewielkim nadciśnieniu względem ciśnienia atmosferycznego, a to z uwagi na możliwość wystąpienia nieszczelności (20 tys. elastycznych połączeń, 45 km klejonych spoin). Z drugiej strony, nadciśnienie nie mogło być zbyt duże ze względu na wytrzymałość mechaniczną komór (możliwość rozklejenia lub dużych odkształceń). Przyjęto, że eksploatacyjne nadciśnienie będzie w zakresie 5-10 hpa. Po drugie, komory wypełniające jedną szczelinę jarzma elektromagnesu miały mieć wloty i wyloty podłączone do tzw. kolektorów i tworzyć wraz z nimi jednostkę strukturalną rozdziału gazu nazywaną gałęzią. Każda gałąź komór miała posiadać oddzielny kanał zasilacza wysokiego napięcia, służący do polaryzacji anod komór gałęzi. Taka segmentacja umożliwiała w przypadku awarii wyłączenie pojedynczej gałęzi komór i prawidłową pracę pozostałych. Po trzecie przyjęto, że każda komora będzie posiadała indywidualne połączenia z gazowymi kolektorami zasilającymi. Rozważane było również szeregowe połączenie kilku komór, mające zalety w postaci redukcji liczby połączeń do kolektora. Miało też wady takie, jak kumulacja zanieczyszczeń w ostatnich komorach i nierówność ciśnień mieszaniny roboczej w kolejnych komorach, połączonych szeregowo wskutek istniejących oporów przepływu. Zakładano również konieczność posiadania możliwości trwałego odłączenia uszkodzonej komory w trakcie corocznych przeglądów detektora. W przypadku szeregowego zasilania niemożliwe byłoby odłączenie pojedynczej komory tylko całej grupy. 39

46 ROZDZIAŁ BUDOWA UKŁADU ZASILANIA W MIESZANINĘ GAZOWĄ Układ zasilania w mieszaninę gazową komór kalorymetru składał się z części naziemnej i z części, znajdującej się w hali eksperymentu ZEUS pod powierzchnią ziemi. System zasilania na powierzchni ziemi składał się ze zbiorników z ciekłym argonem i z ciekłym tlenkiem węgla (IV) oraz z układu mieszającego. Układ mieszający pierwotnie został zbudowany na bazie mieszalnika, który pracował w eksperymencie TASSO. Najistotniejszymi elementami funkcjonalnymi mieszalnika były: mieszacz tłokowy, dozujący odpowiednie objętości gazu typu LABOMIX, miernik koncentracji CO 2, działający na zasadzie pomiaru absorpcji promieniowania w zakresie podczerwieni typu UNOR oraz miernik resztkowych koncentracji O 2 firmy PANAMETRIX. Po kilku latach ciągłej pracy urządzenia te stawały się coraz częściej zawodne. Został zbudowany nowy układ mieszający, oparty na elektronicznie sterowanych zaworach i przepływomierzach firmy HI-TEC oraz został wymieniony miernik koncentracji CO 2. Kilkuletnia obserwacja pomiarów zawartości tlenu w mieszance i jej niski poziom (kilkanaście ppm) skłoniły do zaniechania zakupu drogiego miernika i zaprzestania pomiaru koncentracji tlenu. Nowy układ mieszający miał wydajność wytwarzania mieszaniny Ar + 13%CO 2 do 244 m 3 /24h, co zapewniało możliwość przepłukiwania komór kalorymetru w tempie do 4 wymian na dobę oraz posiadał możliwość płynnej regulacji koncentracji CO 2 w mieszaninie w zakresie od 0 do 25%. W hali eksperymentu ZEUS system dystrybucji mieszaniny w każdej gałęzi gazowej zawierał: zawór, służący ustaleniu przepływu mieszaniny w gałęzi, dwa elektroniczne przepływomierze, mierzące przepływ mieszaniny wpływającej i wypływającej z gałęzi, liczniki kontrolne i U - rurki ( syfonowy element, wypełniony wodą, zabezpieczający przed niekontrolowanym wzrostem ciśnienia w gałęzi). Przepływomierze umożliwiały kontrolę przepływów mieszaniny i ocenę szczelności danej gałęzi komór. Liczniki kontrolne, podobnie jak przepływomierze, zainstalowane były na wejściu i wyjściu gazu w każdej gałęzi komór i umożliwiały na bieżąco kontrolę parametrów licznikowych przepływającej mieszaniny oraz prowadzenie analizy porównawczej gazu, wpływającego i wypływającego z danej gałęzi. Zespoły zaworów, przepływomierzy, liczników kontrolnych i U - rurek zostały zgrupowane w 5 stanowiskach. Stanowisko na specjalnej platformie (wg oficjalnych oznaczeń przyjętych w ZEUS-ie platforma I-J) zawierało elementy sterowania i kontroli gałęzi gazowych, zasilających w mieszaninę gazową komory bottom-u. Cztery pozostałe stanowiska umiejscowione były w tzw. narożnikach, z których każde zawierało elementy sterowania i 40

47 BARREL 9 gałęzi BARREL 9 gałęzi BARREL 9 gałęzi BARREL 9 gałęzi ROZDZIAŁ 5 ZBIORNIK Ar ZBIORNIK CO 2 UKŁAD MIESZAJĄCY WYLOT DO ATMOSFERY S W E N NAROŻNIK SW END-CUP SW 7 gałęzi G A END-CUP NW 7 gałęzi G A NAROŻNIK NW I A A I I A A I BOTTOM 9 gałęzi NAROŻNIK SE END-CUP SE 10 gałęzi A J END-CUP NE 10 gałęzi A J NAROŻNIK NE PLATFORMA I-J metalowe rury zasilające metalowe rury powrotu metalowe połączenie elastyczne Rysunek 5.1. Schemat układu zasilania w mieszaninę gazową komór kalorymetru uzupełniającego BAC. 41

48 ROZDZIAŁ Ø6 mm Ø8 mm mm 11 6 Ø8 mm Cu 5 12 Ø10mm Cu Ø 42 rura Cu Ø 28 rura Cu 0.25 MPa 2 1 elementy gałęzi gazowej znajdujące się w narożniku lub na platformie I-J Rysunek 5.2. Elementy pojedynczej gałęzi gazowej. 1 zawór, regulujący przepływ mieszaniny w gałęzi gazowej, 2 przepływomierz mieszaniny wpływającej, 3 licznik kontrolny mieszaniny wpływającej, 4 U rurka, 5 podłączenie kolektora zasilającego wersja (1), 6 podłączenie kolektora zasilającego wersja (2) (Cu Ø8x1mm), 7 kolektor zasilający (Cu 20x20x1mm gałęzie barrel u i bottom u, Cu 10x10x1mm gałęzie end-cup u), 8 rurka doprowadzająca gaz wewnątrz komory (poliuretan Ø6x1mm), 9 komory kalorymetru, 10 kolektor powrotny (wymiary identyczne jak dla kolektora zasilającego), 11 podłączenie kolektora powrotnego (Cu Ø10x1mm), 12 licznik kontrolny mieszaniny wypływającej, 13 przepływomierz mieszaniny wypływającej, mm odcinek kolektora (odległość między kolejnymi komorami). kontroli 9 gałęzi gazowych, zasilających w mieszaninę komory odpowiedniej części kalorymetru barrel u oraz 7 lub 10 gałęzi gazowych, zasilających komory odpowiedniej części kalorymetru end-cup u. Schemat budowy układu zasilania w mieszaninę gazową pokazany jest na rysunkach 5.1 i 5.2. W sumie kalorymetr uzupełniający został podzielony na 42

49 ROZDZIAŁ 5 79 gałęzi o różnej liczbie dołączonych komór. Wymuszony przepływ gazu w gałęzi ustalany był położeniem zaworu regulującego, na którym realizowany był spadek ciśnienia około 0.25 MPa, co skutkowało bardzo niewielkimi wahaniami przepływu przy zmianach ciśnienia atmosferycznego. 5.2 ANALIZA JEDNORODNOŚCI ROZPŁYWU GAZU NA POSZCZEGÓLNE KOMORY GAŁĘZI GAZOWEJ Wielkość przepływu mieszaniny w gałęzi gazowej ustalany był położeniem zaworu regulującego (element 1 rys. 5.2) i był dobierany odpowiednio do ilości komór w gałęzi i do wymaganej ilości wymian na dobę. Natomiast rozpływ mieszaniny w gałęzi gazowej na poszczególne komory, które były połączone równolegle do kolektorów zasilających, jest przedmiotem prezentowanej analizy. Chcąc odpowiedzieć na pytanie na ile jednorodny był rozpływ mieszaniny na poszczególne komory należało dokonać niezbędnych obliczeń występujących spadków ciśnień i przepływów mieszaniny we wszystkich punktach węzłowych gałęzi gazowej. Duża liczba komór w pojedynczej gałęzi (do 92 szt.) wprowadza dużą ilość zmiennych, a wówczas pewnym ułatwieniem jest budowa analogu elektrycznego gałęzi gazowej i wykorzystanie do obliczeń oprogramowania stworzonego specjalnie na potrzeby rozwiązywania zagadnień obwodów elektrycznych. Poniżej przedstawiona jest analiza jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory gałęzi przy użyciu tej metody Wyznaczenie oporów przepływu mieszaniny w poszczególnych elementach gałęzi gazowej Liczba Reynoldsa Re, pozwalająca oszacować występujący podczas ruchu płynu stosunek sił czynnych do sił biernych związanych z tarciem wewnętrznym, stosowana jest jako główne kryterium oceny ruchu płynów, u d Re (5.1) gdzie: ρ gęstość płynu, u prędkość charakterystyczna, przez którą rozumie się prędkość uśrednioną przepływu, d wymiar charakterystyczny (np. średnica rury lub średnica opływanego ciała ) w przypadku przekrojów niekołowych przyjmuje się tzw. średnicę zastępczą, η współczynnik lepkości dynamicznej płynu. Ustalono, że dla Re<2300 przepływ w rurach powinien zawsze pozostawać laminarny [36]. Współczynnik lepkości dynamicznej dla gazów, przy danej temperaturze, nie zależy od ciśnienia i wynosi dla Ar Pa s, a 43

50 ROZDZIAŁ 5 dla CO Pa s [37]. Brak związków, łączących współczynnik lepkości dynamicznej mieszaniny ze współczynnikami lepkości poszczególnych składników i ich koncentracji, skłania do przyjęcia dla mieszaniny Ar + 13%CO 2 współczynnika lepkości dynamicznej takiego, jak dla czystego argonu (zbliżone do siebie wartości lepkości - różnica 34% oraz dominacja argonu w mieszaninie). Wyznaczona została liczba Reynoldsa w punktach krytycznych systemu gazowego: rurki zasilającej Ø 4 mm dla najdłuższej komory 7.3 m, dla kolektora zasilającego o przekroju 18x16 mm 2 i dla kolektora 8x8 mm 2 w miejscach największego przepływu, przy 4 wymianach na dobę, uzyskując odpowiednio wartości 13.8, 305 i 166. Wartości te spełniają kryterium laminarnego przepływu, umożliwiając analizę oporów przepływu przez poszczególne elementy systemu gazowego, wykorzystując wzory mechaniki przepływu w ośrodkach ciągłych lepkich pozbawionych turbulencji. W dodatku B zostały przedstawione sposoby wyznaczenia spadków ciśnień przy laminarnym stacjonarnym przepływie gazu lepkiego przez rury o różnych przekrojach. Oraz sposoby wyznaczenia współczynnika G, dla zlinearyzowanej zależności: p G Q. (5.2) gdzie Δp różnica ciśnień na końcach rury [Pa], Q całkowity przepływ gazu [kg/s] przez rurę, G współczynnik liniowej zależności [Pa s/kg]. Dla komór i ich rurek zasilających Długość komory [m] G dla rurki zasilającej Ø=4mm G dla komory (komory barrel u) (komory barrel u) (komory bottom u) (komory end-cup u) (komory end-cup u) Dla odcinków kolektorów zasilających 135 mm odcinek kolektora zasilającego o przekroju 18x16 mm mm odcinek kolektora zasilającego o przekroju 8x8 mm m rura Ø10x1 mm Cu (kolektor powrotu barrel u narożnik) m rura Ø10x1 mm Cu(kolektor powrotu end-cup u narożnik) Tabela 5.1. Wykaz obliczonych współczynników G [Pa s/kg] (w kolektorach zasilających o wymiarach 20x20x1 mm nakrętki mocujące końcówki gazowe zawężały lokalnie przekrój wewnętrzny do wymiarów 18x16 mm, który został przyjęty do obliczeń). 44

51 ROZDZIAŁ 5 Tabela 5.1 zawiera wykaz obliczonych współczynników G dla istotnych elementów systemu gazowego, mających wpływ na równomierność wymiany gazu w poszczególnych komorach gałęzi. Współczynnik G, który możemy nazwać oporem przepływu jest dla każdej długości komory (opór profilu duraluminiowego) 3 rzędy wielkości mniejszy niż opór rurki zasilającej, znajdującej się wewnątrz komory. W dalszej analizie można więc pominąć zupełnie opory związane z przepływem gazu przez profil komory. Należy wyjaśnić, że do budowy kalorymetru uzupełniającego użyto komór 8 i 7 sekcyjnych. Komory 7 sekcyjne były o 16 mm węższe, ale stanowiły tylko 23% ogólnej liczby komór. Skoro współczynnik G dla profilu komory obojętnie czy 8 czy 7 sekcyjnej jest i tak pomijalnie mały w stosunku do współczynnika G dla rurki zasilającej, analizę jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory przeprowadzono tak, jakby w kalorymetrze znajdowały się jedynie komory 8 sekcyjne Budowa analogu elektrycznego pojedynczej gałęzi gazowej Analogia pomiędzy przepływem gazu lepkiego, a przepływem prądu elektrycznego przez materiały wykazujące opór elektryczny jest zauważalna. Zlinearyzowane równanie (5.2) nasuwa naturalne skojarzenia: różnica ciśnień to różnica potencjałów elektrycznych, przepływ gazu Q to przepływ prądu przez przewodnik, współczynnik G to opór elektryczny. Dalsze analogie, takie jak: wymuszony przepływ gazu to wymuszony przepływ prądu przez idealne źródło prądowe, aerostatyczny spadek ciśnienia gazu to wymuszony spadek potencjału przez idealne źródło napięcia, są pomocne przy budowaniu analogu elektrycznego danej gałęzi komór. Na rysunku 5.3 przedstawiony jest analog elektryczny jednej gałęzi komór, w którym rezystancje R01A i R02 reprezentują opory doprowadzeń do kolektorów (elementy nr 11 i 5 lub 6 rys.5.2), R11, R13, R21, reprezentują opory 135 mm odcinków kolektorów (element nr 14 rys.5.2), źródła napięcia U21, U22, U31,...reprezentują aerostatyczne spadki ciśnienia na 135 mm odcinkach kolektorów, R12, R22, R32,, RX2 to opory komór i wewnętrznych rurek doprowadzających (elementy nr 8 i 9 rys.5.2), źródło prądowe I to wymuszony położeniem zaworu (element nr 1 rys.5.2) przepływ gazu w całej gałęzi. Amperomierze A1 i A2 reprezentują przepływomierze mieszaniny wpływającej i wypływającej (elementy nr 2 i 13 rys.5.2). Tak zbudowany schemat posłużył do analizy jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory w wybranych gałęziach komór i do wyznaczenia czułości wykrywania nieszczelności przy wykorzystaniu jedynie przepływomierzy mieszaniny wpływającej i wypływającej. Analiza wykonana była przy użyciu programu PSpice w pakiecie PROTEL. 45

52 ROZDZIAŁ 5 A1 U21 U31 R01A R11 R21 R31 I A2 R02 R13 R12 R22 R32 R23 R33 RX2 U22 U32 Rysunek Analog elektryczny pojedynczej gałęzi komór - wersja (1) podłączenia Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór barrel u i bottom u Rury, doprowadzające mieszaninę gazową do kolektora zasilającego i rury odprowadzające mieszaninę z kolektora powrotnego, były pierwotnie podłączone do końców kolektorów, leżących po tej samej stronie - wersja (1) podłączenia (rys.5.2). Pierwsze pomiary jednorodności rozpływu na poszczególne komory w gałęzi, wykonane przez Machowskiego [34], wskazywały na znaczne różnice w przepływie w skrajnie podłączonych komorach. Wówczas powstała koncepcja podłączeń rur do przeciwległych końców kolektorów, należących do jednej gałęzi wersja (2) podłączenia (rys.5.2). Analog elektryczny takiego sposobu podłączenia przedstawiony jest na rysunku 5.4. A1 R01B R11 U21 R21 U31 R31 I A2 R02 R13 R12 R22 R32 R23 R33 RX2 U22 U32 Rysunek 5.4. Analog elektryczny pojedynczej gałęzi gazowej po modyfikacji podłączenia - wersja (2). 46

53 LICZBA WYMIANGAZU NA DOBĘ LICZBA WYMIANGAZU NA DOBĘ ROZDZIAŁ 5 Najmniej korzystna sytuacja pod względem jednorodności rozpływu gazu na poszczególne komory gałęzi jest wówczas, gdy gałąź zasila dużą liczbę stosunkowo krótkich komór (mała wartość oporów R12, R22, ). Taki przypadek występował w gałęzi zasilającej komory, leżące w skrajnie zewnętrznej szczelinie barrel u (gałąź oznaczona symbolem I), złożonej z 92 komór o długości 4.5 m. Najbardziej równomierny rozpływ jest w gałęzi z małą liczbą podłączonych długich komór (gałąź oznaczona symbolem A rysunek komór o długości 5.5 m). Otrzymane rezultaty liczby wymian gazu na dobę dla gałęzi I oraz A przy obu wersjach podłączenia pokazane są na rysunku 5.5. Odchylenie standardowe rozkładu liczby wymian na dobę dla gałęzi I wynosi w wersji (1) oraz w wersji (2), a dla gałęzi A odchylenia standardowe wynoszą odpowiednio i dla obu wersji. Otrzymano zatem około 4 krotne zmniejszenie wartości odchylenia standardowego dla wersji (2) podłączenia w stosunku do wersji (1). 1,4 1,4 1,3 1,2 GAŁĄŹ I - 92 KOMORY 4.5 m PRZED MODYFIKACJĄ PO MODYFIKACJI 1,3 1,2 GAŁĄŹ A - 70 KOMÓR 5.5m PRZED MODYFIKACJĄ PO MODYFIKACJI 1,1 1,1 1,0 1,0 0,9 0,9 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ Rysunek 5.5. Jednorodność rozpływu mieszaniy gazowej na poszczególne komory w gałęzi I i A barrel u przed modyfikacją podłączenia kolektorów wersja (1) oraz po modyfikacji podłączenia kolektorów wersja (2). Z wyników pomiarów, prezentowanych w pracy [34], wykonanych na rzeczywistych gałęziach gazowych, można określić stosunek N max /N min (N max, N min to skrajne liczby wymian gazu na dobę w komorach jednej gałęzi) i wynosi on dla gałęzi B w (1) wersji podłączenia , a obliczony przy pomocy analogu elektrycznego oraz w (2) wersji podłączenia zmierzony 1.17, obliczony Występuje duża zgodność pomiędzy obliczonymi wartościami rozkładu przepływu, a wynikami uzyskanymi z pomiarów. Należy nadmienić, że rozpatrywany model gałęzi gazowej nie uwzględnia wszystkich elementów montażowych, takich jak złączki i krótkie odcinki elastycznych połączeń pomiędzy komorą a kolektorem, nie 47

54 LICZBA WYMIANGAZU NA DOBĘ LICZBA WYMIANGAZU NA DOBĘ ROZDZIAŁ 5 uwzględnia wszelkich łuków i kolan, które mogą być źródłem lokalnych turbulencji. Pomiary natomiast wprowadzają zawsze dodatkowe zaburzenia i są obarczone dużymi niepewnościami, wynikającymi z metody pomiarowej. Duża zgodność pomiarów z rezultatami uzyskanymi w wyniku obliczeń, przy zastosowaniu analogu elektrycznego uwiarygodniała, wyniki obliczeń rozpływu gazu, przy symulacji uszkodzeń, bez potrzeby uszkadzania rzeczywistego układu i wykonywania żmudnych pomiarów. 1,4 1,4 1,3 GAŁĄŹ I - 92 KOMORY 1,3 GAŁĄŹ A - 70 KOMÓR 1,2 1,1 GAŁĄŹ SZCZELNA NIESZCZELNA 2 KOMORA NIESZCZELNA 45 KOMORA NIESZCZELNA 91 KOMORA 1,2 1,1 GAŁĄŹ SZCZELNA NIESZCZELNA 2 KOMORA NIESZCZELNA 35 KOMORA NIESZCZELNA 69 KOMORA 1,0 1,0 0,9 0,9 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ Rysunek 5.6. Jednorodność rozpływu mieszaniny gazowej na poszczególne komory w gałęzi I i A barrel u po modyfikacji podłączeń gazowych (wersja (2)) przy nieszczelnych pojedynczych komorach. Na rysunku 5.6 uwidocznione są zmiany w rozkładzie liczby wymian gazu na dobę dla danej gałęzi komór w przypadku uszkodzenia komory podłączonej na początku, w środku i na końcu gałęzi przy założeniu, że uszkodzona komora nie stanowi żadnego oporu dla wypływu mieszaniny do atmosfery. Wówczas odchylenia standardowe w najgorszym przypadku wynoszą dla gałęzi I oraz dla gałęzi A w wersji (2) podłączenia. Korzystniejsza jest wersja (2) podłączenia zarówno dla gałęzi szczelnej, jak i posiadającej nieszczelne komory, dlatego też wszystkie gałęzie gazowe barrel u zostały zmodyfikowane w latach We wszystkich gałęziach zasilających komory bottom u były korzystniejsze warunki dla jednorodnego rozpływu gazu niż w barrel u, ponieważ było mniej komór w gałęzi (najwięcej w gałęzi I - 37 komór) i komory były dłuższe - 7.3m. To sprawiało, że dla wymienionej gałęzi I bottom u obliczone na podstawie analogu elektrycznego, odchylenie standardowe liczby wymian na dobę wynosiło zaledwie 0.018, a iloraz N max /N min jedynie Niewielkie wartości tych parametrów, jak i utrudnienia techniczne spowodowały, że podłączenia gałęzi bottom u nigdy nie zostały zmodyfikowane do wersji (2). 48

55 LICZBA WYMIAN GAZU NA DOBĘ LICZBA WYMIAN GAZU NA DOBĘ ROZDZIAŁ Analiza rozpływu mieszaniny w gałęziach komór end-cup ów Gałęzie gazowe end-cup ów były bardziej skomplikowane strukturalnie, każda składała się z kilkunastu typów komór o różnej długości od 1.8 do 3.6 m. Różna długość komór w gałęzi powodowała, że przez komory krótkie płynęło więcej gazu z powodu mniejszych oporów przepływu, a jednocześnie była to komora o mniejszej objętości gazowej, więc teoretycznie wymagająca mniejszej ilości gazu, przepływającego przy zadanej ilości wymian gazu na dobę. Te dwa czynniki były przyczyną dużej niejednorodności w liczbie wymian gazu na dobę, które zostały potwierdzone doświadczalnie i skutkowały pewną modyfikacją. Gałąź gazowa została podzielona na trzy sekcje: sekcję górnych i sekcję dolnych komór (znajdujących się powyżej i poniżej wycięcia na rurę akceleratora) oraz na sekcję komór w obszarze wycięcia. Taka segmentacja i dodatkowe doprowadzenia do poszczególnych sekcji z rur o małej średnicy, przyczyniły się do poprawy jednorodności rozpływu. Kolektory zasilające w gałęziach gazowych miały przekrój wewnętrzny 8x8 mm i wersja (1) podłączenia pozostała niezmieniona. Rysunek 5.7 przedstawia rezultaty obliczeń otrzymanych dla sekcji o najmniejszej i największej liczbie komór. 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 GAŁĄŹ SZCZELNA NIESZCZELNA 2 KOM. NIESZCZELNA 9 KOM. NIESZCZELNA 19 KOM. MAX / MIN =1.84 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ A 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 GAŁĄŹ SZCZELNA NIESZCZELNA 2 KOMORA NIESZCZELNA 13 KOMORA NIESZCZELNA 27 KOMORA MAX / MIN =1.79 0, POZYCJA KOMORY W GAŁĘZI GAZOWEJ B Rysunek 5.7. Jednorodność rozpływu mieszaniny gazowej na poszczególne komory w gałęzi end-cup u dla sekcji o najmniejszej A i największej liczbie komór B. Daje się zauważyć mały wpływ nieszczelności na jednorodność liczby wymian na dobę oraz w porównaniu z barrel em dużo większe odchylenie standardowe rozkładu i stosunek N max /N min. Rozwiązaniem tej sytuacji było zwiększenie ilości przepływającego gazu w gałęziach end-cup ów tak, aby komory najgorzej płukane miały co najmniej jedną wymianę na dobę. Skutkowało to zwiększonym zużyciem gazu, niemniej jednak należy pamiętać, 49

56 ROZDZIAŁ 5 że objętość komór obu end-cup ów stanowiła zaledwie 26% całkowitej objętości gazowej kalorymetru uzupełniającego Wykrywanie nieszczelnych komór w gałęziach W trakcie 16 lat eksploatacji kalorymetru uzupełniającego BAC ważnym czynnikiem była zdolność wykrywania nieszczelności jedynie na podstawie wskazań przepływomierzy wejściowych i wyjściowych w danej gałęzi komór. Można przyjąć prawdziwość stwierdzenia, że w przypadku dużej nieszczelności w kolektorze i rurkach zasilających, przepływomierz wyjściowy wskazywał brak przepływu, a komory w całej gałęzi nie były przepłukiwane gazem. W przypadku dużej nieszczelności w dowolnej komorze lub w kolektorze powrotnym, przepływ przez pozostałe komory gałęzi był zmieniony tak, jak prezentują to rysunki 5.6 i 5.7. Wielkość tej zmiany zapewniała poprawną pracę wszystkich komór oprócz komory nieszczelnej. Tabela 5.2 zawiera obliczone na podstawie analogu elektrycznego wskazania przepływomierzy wyjściowych przy określonych położeniach nieszczelnej komory (przyjęto zerowy opór wypływu gazu do atmosfery). Otrzymane bardzo małe wartości wskazań Gałąź gazowa Barrel gałąź I (II wersja podłączenia) Barrel gałąź A (II wersja podłączenia) End-cup sekcja o małej liczbie komór End-cup sekcja o dużej liczbie komór Pozycja nieszczelnej komory w gałęzi gazowej Wskazanie przepływomierza wyjściowego (% wskazania przepływomierza wejściowego) Tabela 5.2 Wskazania przepływomierzy wyjściowych przy różnych pozycjach nieszczelnej komory w gałęzi gazowej. 50

57 ROZDZIAŁ 5 przepływomierza wyjściowego w większości analizowanych sytuacji uniemożliwiały wskazanie na typ (pojedyncza komora czy cała gałąź) i lokalizację uszkodzenia. Jednocześnie wskazania przepływomierzy wyjściowych były czułe na wszelkie nieszczelności i stąd wynikała ich przydatność w czasie okresowych przeglądów kalorymetru. 51

58 ROZDZIAŁ 6 ROZDZIAŁ 6 SYSTEM MONITOROWANIA WARUNKÓW PRACY KOMÓR KALORYMETRU W dużych układach detekcyjnych nieodzownym elementem jest system automatycznego monitorowania istotnych parametrów pracy tego układu. Kalorymetr uzupełniający BAC został wyposażony w taki system, a grupa krakowska została zobowiązana do zbudowania jego części, dotyczącej systemu zasilania w gaz. Monitorowanie obejmowało: kontrolę składu i ilości produkowanej mieszaniny gazowej przez układ mieszający, kontrolę jakości gazu poprzez analizę widm energetycznych z liczników kontrolnych mieszaniny wpływającej i wypływającej z każdej gałęzi gazowej. System monitorowania gromadził również dane takie jak: przepływ gazu wpływającego i wypływającego z każdej gałęzi gazowej, ciśnienie atmosferyczne na poziomie gruntu oraz temperatury komór w wybranych punktach kalorymetru. 6.1 KONTROLA I STEROWANIE UKŁADU MIESZAJĄCEGO Układ mieszający, który wytwarzał mieszaninę gazową Ar + CO 2 o żądanym składzie wymagał szczególnej kontroli. Przy stałym napięciu polaryzacji anody zmniejszenie koncentracji CO 2 w mieszaninie powoduje wzrost wielkości lawiny elektronowo jonowej w obszarze mnożenia, a co za tym idzie wzrost ilości produkowanych rezonansowych stanów wzbudzonych. Rośnie przez to ilość emitowanych fotonów w procesie powrotu wzbudzonych atomów do stanu podstawowego, a przy zmniejszonej koncentracji absorbentu tych fotonów, którym jest CO 2, rośnie gwałtownie ilość swobodnych elektronów wskutek fotojonizacji w gazie i efektu fotoelektrycznego na katodzie. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu prawdopodobieństwa niebezpiecznych wyładowań ciągłych w komorach kalorymetru. System monitorowania rejestrował i archiwizował parametry układu mieszającego takie jak: przepływ Ar i przepływ CO 2, wartości te były odczytywane z sterowanych zaworów zespolonych z przepływomierzami firmy HI-TEC, koncentrację CO 2 w mieszaninie, parametr ten był odczytywany z miernika koncentracji CO 2 (UNOR) oraz wartość ciśnienia atmosferycznego, mierzonego elektronicznym miernikiem ciśnienia (TYCON). Wymienione parametry w postaci napięciowych sygnałów analogowych były przesyłane do karty przetwornika analogowo-cyfrowego umieszczonej w kracie VME. Program dozoru 52

59 ROZDZIAŁ 6 (ang. - slow control) obliczał koncentrację CO 2 na podstawie danych o przepływie obu gazów i porównywał z wartością uzyskaną z miernika koncentracji. W przypadku gdy odczytana koncentracja CO 2 w mieszaninie przekraczała określone wartości progowe lub uzyskane dane były wzajemnie niespójne, program sygnalizował zmianie dyżurującej awarię systemu gazowego. Na wypadek koincydencji awarii, tak systemu komputerowego jak i elementów układu mieszającego, układ mieszający dodatkowo został wyposażony w elektroniczny autonomiczny moduł dozoru. Jego funkcja polegała na automatycznym zamknięciu zaworów, ustalających przepływy obu gazów w przypadku braku właściwego ciśnienia CO 2 lub zmniejszeniu się koncentracji CO 2 w mieszaninie, lub krótkiego zaniku napięcia zasilania. Zamknięcie zaworów odbywało się poprzez docisk sprężyn w momencie odłączenia zaworom napięć zasilania. Moduł dozoru samoczynnie po pojawieniu się napięcia zasilania i właściwego ciśnienia CO 2 włączał mieszalnik na okres 40 sekund (czas potrzebny dla stabilizacji przepływów i pomiarów). Jeżeli układ mieszający po upływie tego czasu nie produkował mieszaniny o właściwej koncentracji, moduł dozoru trwale go wyłączał. Żądany skład i ilość mieszaniny oraz próg minimalnego ciśnienia i koncentracji CO 2 były ustawiane precyzyjnymi potencjometrami 10-obrotowymi. Parametry mierzone wyświetlane były na panelach czołowych układu mieszającego. 6.2 KONTROLA JAKOŚCI GAZU Przy określonej jonizacji pierwotnej amplituda sygnału z komory proporcjonalnej zależy od wzmocnienia gazowego, które z kolei jest silnie uzależnione od napięcia polaryzacji drutu anodowego i składu mieszaniny gazowej. Nawet małe koncentracje domieszek potrafią znacząco zmienić wielkość współczynnika wzmocnienia gazowego A γ. Doświadczenie, że gaz dostarczany przez jednego producenta potrafi znacząco różnić się w poszczególnych butlach, a co dopiero wieloletnie dostawy skroplonego gazu, dostarczanego przez kilku producentów, skłoniło zespół do budowy kontrolnych liczników proporcjonalnych, śledzących na bieżąco współczynnik wzmocnienia gazowego. Liczniki kontrolne były zamontowane na wlocie i wylocie mieszaniny gazowej w każdej gałęzi komór. Schemat budowy licznika kontrolnego pokazany jest na rysunku 6.1. Wewnętrzna geometria prostokątna (15x11 mm) z centralnie zamontowanym drutem anodowym (wolfram pozłacany, r A =25 μm) odpowiadała ściśle geometrii pojedynczej sekcji komory kalorymetru. Zastosowany przedwzmacniacz również był zbudowany na bazie tego samego układu scalonego zastosowanego w odczycie drutowym komór kalorymetru. Liczniki kontrolne były polaryzowane napięciem identycznym jak 53

60 ROZDZIAŁ Rysunek 6.1. Schemat budowy licznika kontrolnego. 1 korpus licznika (Cu 20x20x1mm), 2 rurki, doprowadzające mieszaninę gazową wraz ze złączami gazowymi, 3 licznik proporcjonalny (Al przekrój 11x15 mm), 4 drut anodowy wraz z izolatorami i naciągiem sprężynowym (wolfram pozłacany r A =25 μm), 5 źródło 55 Fe, 6 okienka wraz z pierścieniem, służącym do wkręcania źródła, 7 sprężyna dociskowa, 8 złącze wysokiego napięcia, 9 złącze sygnałowe, 10 płytka przedwzmacniacza. komory kalorymetru danej gałęzi. Taka konfiguracja gwarantowała możliwość kontroli współczynnika wzmocnienia gazowego w komorach kalorymetru danej gałęzi, na podstawie analizy widm energetycznych, uzyskanych z liczników kontrolnych przy absorpcji monoenergetycznego promieniowania. Każdy licznik kontrolny posiadał 3 okienka wykonane z folii poliamidowej (kapton), o grubości 100μm oraz własne źródło promieniotwórcze 55 Fe o dominującej linii Mn K α keV. Odpowiednie położenie piku od energii 5.95 kev w widmach, uzyskiwanych z liczników zamontowanych na zasilaniu gałęzi komór, stanowiło kontrolę prawidłowości składu mieszaniny gazowej i prawidłowości napięcia polaryzującego komory danej gałęzi. Natomiast odchyłki w położeniu linii Mn K α lub pogorszenie się energetycznej zdolności rozdzielczej w licznikach, zamontowanych na wylocie gazu z gałęzi komór, były informacją o pogorszeniu się jakości gazu, opuszczającego gałąź kalorymetru, a więc za małej szybkości przepływu mieszaniny w gałęzi. Informacje te były istotne dla ustalania optymalnej wielkości przepływu mieszaniny w danej gałęzi komór. Zachowanie się liczników kontrolnych było przedmiotem skrupulatnych badań. Badane były korelacje położenia piku od energii 5.95 kev w widmach otrzymanych z różnych liczników kontrolnych, przy zmieniającym się ciśnieniu i temperaturze. Wyznaczone zostały korelacje pomiędzy wzmocnieniem gazowym sekcji komory kalorymetru (specjalnie 54

61 ROZDZIAŁ 6 przygotowaną posiadającą okienka poliamidowe) a wzmocnieniem gazowym liczników kontrolnych, umieszczonych na zasilaniu i wylocie gazu z komory przy różnych ciśnieniach, temperaturach i napięciach polaryzacji anody. Badany był wpływ ilości wymian na dobę mieszaniny gazowej na położenie piku od energii 5.95 kev w widmie energetycznym, w zakresie przepływów stosowanych, w gałęziach komór kalorymetru BAC (od 1 do 4 wymian na dobę). Szczegółowe wyniki były prezentowane w publikacji [38], natomiast wnioski były następujące: nie obserwowano zależności pomiędzy położeniem piku od 55 Fe w widmie energetycznym, a wielkością przepływu mieszaniny gazowej w badanym zakresie, różne liczniki kontrolne przy zmianach ciśnienia i temperatury wykazują prawie identyczne (różnice nie przekraczają 3%) zmiany w położeniu linii Mn K α, korelacja pomiędzy wzmocnieniem gazowym w pojedynczej sekcji komory kalorymetru, a wzmocnieniem gazowym w licznikach kontrolnych przy zmieniających się wartościach ciśnienia, temperatury i napięcia polaryzacji detektorów jest zadowalająca (różnice nie przekraczają 8%). Liczniki kontrolne wyposażone były w przedwzmacniacze prądowe, oparte na identycznym układzie hybrydowym jak komory kalorymetru NH Wzmocnienie układu wynosiło 25mV/μA. Przedwzmacniacz zawierał układ filtracji napięcia polaryzującego detektor, filtr napięcia zasilania i elementy dystrybucji sygnału testowego. Ze względu na dużą liczbę liczników kontrolnych (158 szt.), w celu redukcji ilości kabli sygnałowych pomiędzy licznikami kontrolnymi a systemem akwizycji danych, użyto multiplekserów kontaktronowych (model 753-1) wraz z blokami sterującymi produkcji ZZUJ POLON. Stosowanie jednego wspólnego kabla sygnałowego dla grupy liczników kontrolnych było korzystne również ze względu na jednakowe tłumienie sygnału. Dalszym elementem toru spektrometrycznego, którego schemat pokazany jest na rysunku 6.2, był trzykanałowy szybki wzmacniacz impulsów o niezależnie regulowanym wzmocnieniu w każdym kanale, w zakresie od 0.9 do 3.0 V/V. Następnym elementem był blok oznaczony skrótem BPU&GG (ang. Bit Pattern Unit and Gate Generator), który stanowił szybki trzykanałowy dyskryminator, o regulowanym progu dyskryminacji wraz z generatorem impulsu bramkującego niezbędnego do sterowania bramki liniowej przetwornika ADC. Blok ten posiadał kilka trybów pracy. W najczęściej używanym roboczym trybie pracy, gdy na dowolnym z trzech wejść impuls przekroczył zadany próg dyskryminacji, blok generował logiczny impuls bramkujący, obejmujący czasem trwania cały impuls wejściowy. Wysyłał również na żądanie systemu informację, w którym z kanałów bloku nastąpiło wyzwolenie dyskryminatora progowego. Taki system pracy umożliwiał równoczesną akwizycję 3 widm amplitudowych wraz z pomiarem piedestału (pomiar położenia zera w widmie 55

62 ROZDZIAŁ 6 amplitudowym) przez pojedynczy moduł przetwornika ADC. Użyty przetwornik ADC to moduł 2249A firmy Le Croy 12 kanałowy przetwornik ładunkowy o 10 bitowej rozdzielczości i zakresie 256 pc. Ze względu na to, że przetwornik 2249A był wykonany w standardzie CAMAC pozostałe elementy toru zostały również wykonane w tym standardzie. Krata CAMAC była sterowana poprzez interfejs z komputera w kracie VME. Każdy licznik kontrolny wyposażony był w źródło 55 Fe wyprodukowane w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku o początkowej aktywności 10 MBq. Ich stosowanie wymagało użycia absorbentu (folia Al) tak, aby częstość zliczeń licznika wynosiła około 600 imp/s. W trakcie 16 lat trwania eksperymentu ZEUS grubość absorbentu była corocznie odpowiednio zmniejszana (czas połowicznego rozpadu 55 Fe wynosi 2.7 lat). Program dozoru budował widma energetyczne dla kolejnych liczników kontrolnych. Każde widmo było zbudowane nie mniej niż z rejestrowanych impulsów. Program dozoru przeprowadzał analizę zebranego widma energetycznego, wyznaczał parametry piku od energii 5.95 kev takie, jak położenie środka piku oraz FWHM i archiwizował te parametry. Położenie środka piku było wskaźnikiem bieżącego wzmocnienia gazowego komór kalorymetru. Pełny cykl zbierania widm 55 Fe i piedestałów dla wszystkich 158 liczników kontrolnych trwał od 30 do 40 minut. LICZNIK KONTROLNY MULTIPLEXER 1 Z 32 GENERATOR BRAMKI I/U 25mV/μA MUX K V =var (0.9-3) U/U BPU & GG DL 12ns 2249 A LeCroy PRZEDWZMACNIACZ WZMACNIACZ ADC Rysunek 6.2. Schemat toru spektrometrycznego liczników kontrolnych. 6.3 MONITOROWANIE PRZEPŁYWÓW I TEMPERATUR W każdym narożniku i na platformie I-J (rysunek 5.1) zostały zamontowane kasety, wyposażone w odpowiednią liczbę zaworów regulacyjnych i elektronicznych przepływomierzy, mierzących przepływ gazu wpływającego i wypływającego z każdej gałęzi komór (rysunek 5.2 element 2 i 13). Zasada pomiaru przepływu gazu oparta była na pomiarze 56

63 ROZDZIAŁ 6 ilości traconego ciepła przez miniaturowy termistor, który był umieszczony w środku strugi gazu i którego temperatura była o 100K wyższa niż przepływającego gazu [39]. W systemie dystrybucji gazu były używane dwa różne typy przepływomierzy o różnych zakresach pomiarowych 25.2 oraz 78 dm 3 /h (w warunkach normalnych). Sygnał wyjściowy przepływomierzy (napięcie DC) wykazywał satysfakcjonującą liniową zależność od przepływu w zakresie stosowanych przepływów - od 20 do 40 l/h. Przepływomierze elektroniczne wymagały okresowej kalibracji, która była wykonywana przy użyciu precyzyjnego przepływomierza kulkowego firmy Brooks Sho-Rate [40]. Wszystkie 158 sygnałów wyjściowych z przepływomierzy poprzez multipleksery były mierzone przetwornikiem napięciowym ADC, umieszczonym w kracie VME. Na powierzchni wybranych komór kalorymetru zostały zamontowane półprzewodnikowe czujniki temperatury w postaci scalonego układu LM35CAZ. Czujniki były bezpośrednio wyskalowane w stopniach Celsiusa, ze współczynnikiem konwersji 10 mv/ 0 C. Struktura systemu ich odczytu była podobna do zastosowanej przy odczycie przepływomierzy. Rejestrowane wartości temperatur wykazywały następujące zależności: temperatura rosła wraz z wysokością mierzoną od podłogi hali eksperymentu oraz temperatury w warstwach wewnętrznych były znacząco wyższe niż w warstwach zewnętrznych kalorymetru. Zmierzone różnice temperatur wynosiły około 12 0 C [41]. Tak duża różnica temperatur pomiędzy komorami skutkowała 28% różnicą we wzmocnieniu gazowym, co przyczyniało się do zmniejszenia energetycznej zdolności rozdzielczej kalorymetru BAC. Dopiero przebudowa systemu wentylacji wnętrza detektora ZEUS i poprawa wentylacji hali eksperymentu spowodowała istotne zmniejszenie mierzonych różnic temperatur. 6.4 TOPOLOGIA SYSTEMU MONITOROWANIA WARUNKÓW PRACY KOMÓR KALORYMETRU Schemat blokowy całego systemu monitorowania warunków pracy komór kalorymetru przedstawiony jest na rysunku 6.3. Dane o temperaturze, przepływach, ciśnieniu atmosferycznym, składzie mieszaniny oraz widma energetyczne były zbierane i archiwizowane przez program dozoru. Stanowiły one podstawę do sygnalizowania osobom pełniącym dyżur, awarii i wszczynania stosownych alarmów. Były one przydatne do okresowego serwisowania systemu gazowego, jak i analizy danych fizycznych z kalorymetru 57

64 ROZDZIAŁ 6 Licznik kontrolny + przedwzmacniacz Narożnik NE NW SE SW Platforma IJ 38szt. 32szt. 38szt. 32szt. 18szt. MUX 1 z 32 Strona N 3 szt. S 3 szt. Platf. IJ 1 szt. Wzmacniacz BPU&GG ADC Przetwornik ładunkowy CAMAC Magistrala sterowania multiplekserami Przepływomierz Narożnik NE NW SE SW Platforma IJ 38szt. 32szt. 38szt. 32szt. 18szt. MUX 1 z 32 Strona N 3 szt. S 3 szt. Platf. IJ 1 szt Sterownik multiplekserów CAMAC Proces monitorowania VME Czujnik temperatury LM35CAZ Barrel N 18szt. S 6 szt. End cup NE 8 szt. NW 8 szt. SE 2 szt. SW 2 szt. Bottom 6 szt. MUX 1 z 32 Strona N 1 szt. S 1 szt. Platf. IJ 1 szt ADC Przetwornik napięciowy VME Czujnik ciśnienia atm., TYCON Miernik koncentracji CO 2, UNOR Czujnik przepływu Ar, HI-TEC Czujnik przepływu CO 2, HI-TEC Rysunek 6.3. Schemat blokowy systemu monitorowania parametrów gazowych kalorymetru BAC. 58

65 ROZDZIAŁ 6 uzupełniającego. Cała elektroniczna część tego systemu, koncepcja okablowania i sposobu zbierania danych została wykonana wyłącznie przez autora. Moduły zaprojektowane i wykonane osobiście to: blok transmisji sygnałów analogowych z układu mieszającego, autonomiczny układ dozoru mieszalnika, trzykanałowy szybki wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu, blok dyskryminatora i generatora sygnału bramkującego (BPU&GG) oraz przedwzmacniacze prądowe liczników kontrolnych. Pozostałe elementy toru to komercyjne wyroby różnych firm. 59

66 ROZDZIAŁ 7 ROZDZIAŁ 7 PROCES STARZENIA GAZOWYCH LICZNIKÓW PROPORCJONALNYCH Terminem starzenia detektorów gazowych określamy ogół niekorzystnych procesów, zachodzących wewnątrz detektora w czasie jego pracy, przyczyniających się do zmiany jego podstawowych parametrów. Proces starzenia uwidacznia się przez zmiany współczynnika wzmocnienia gazowego, pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej, wzrost natężenia prądu ciemnego i wzrost prawdopodobieństwa wyładowań elektrycznych w gazie detektora. Historycznie proces ten był obserwowany od samego początku stosowania detektorów gazowych i był przedmiotem zainteresowań wielu badaczy. Otrzymane rezultaty i wnioski były wzajemnie niespójne, a przeprowadzane doświadczenia cechowały się brakiem powtarzalności. Od zastosowania komór proporcjonalnych (zwłaszcza komór wielodrutowych) w detektorach budowanych, na potrzeby fizyki wysokich energii, problem starzenia stał się bardzo istotny z powodu wysokiej ceny i stopnia złożoności detektora. Mimo dużych wysiłków i wielu programów badawczych, problem ten jest ciągle niewystarczająco poznany. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest zależność procesu starzenia od składu gazu roboczego, rodzaju i koncentracji zanieczyszczeń, natężenia promieniowania i gęstości jonizacji pierwotnej. Efekty starzeniowe możemy podzielić na trzy grupy. Zmiany składu gazu roboczego, zmiany powierzchni anody i zmiany powierzchni katody. Za wszystkie te zmiany odpowiedzialne są procesy dysocjacji wieloatomowych cząsteczek gazu w strumieniu elektronów rozwijającej się lawiny oraz procesy dysocjacji opisane równaniami (A.20) i (A.21), z późniejszym procesem łączenia się i polimeryzacji produktów tych rozpadów. Dysocjacji ulegają nie tylko wieloatomowe składniki mieszaniny roboczej, ale również wszelkie gazowe lub w postaci par składniki zanieczyszczeń, co w przypadku szerokiego spektrum możliwych zanieczyszczeń, daje dużą liczbę możliwych syntez. 7.1 CHEMICZNE ASPEKTY PROCESU STARZENIA Warunki panujące wokół anody, takie jak duże natężenie pola elektrycznego i rozwijające się lawiny elektronowo jonowe, są zbliżone do warunków, w jakich prowadzone są procesy syntezy w chemii plazmy. W chemii plazmy, w procesach polimeryzacji, oprócz istnienia podwójnych wiązań chemicznych, ważne jest również 60

67 ROZDZIAŁ 7 środowisko reakcji. Na proces polimeryzacji wpływ mają rodzaj gazu, jego ciśnienie i wielkość przepływu, koncentracja zanieczyszczeń, gęstość energii promieniowania elektromagnetycznego i jego częstotliwość (chemia plazmy stosuje najczęściej zakres częstotliwości radiowych). Różne wartości wymienionych czynników w reaktorze chemicznym doprowadzają do różnych produktów finalnych, np. w czasie polimeryzacji etenu C 2 H 4 końcowym produktem może być substancja oleista, proszek lub zestalona warstwa polimeru [42]. Warunki panujące w komorze proporcjonalnej, w obszarze mnożenia lawinowego, są zmienne w czasie (praca impulsowa), zmienne w przestrzeni (silna zależność natężenia pola elektrycznego od odległości od anody) co sprawia, że końcowe formy polimerów mogą być bardzo różne. Ilości osadzonych na elektrodach substancji są tak małe, że analiza chemiczna jest bardzo utrudniona. W wielu pracach podkreślany jest brak dobrej powtarzalności eksperymentów starzeniowych. Również niezwykle trudno jest prowadzić analizę procesów starzeniowych w oparciu o wiedzę z zakresu chemii plazmy. Tym bardziej, że warunki w obszarze mnożenia lawinowego nie odpowiadają ściśle warunkom reaktora chemicznego. Różnice występują w zakresie średniej energii elektronu, gęstości elektronów, ciśnienia gazu oraz natężenia i rodzaju pola elektromagnetycznego. Zestawione wartości energii wiązań chemicznych, energii dysocjacji i jonizacji w tabeli 7.1 pokazują, że energia dysocjacji jest parokrotnie mniejsza niż energia jonizacji tej samej cząsteczki. W równaniach (A.20) i (A.21), opisujących dysocjację w wyniku absorpcji fotonu lub dysocjację w wyniku neutralizacji na katodzie, mogą nastąpić również wielokrotne zerwania wiązań kowalencyjnych w przypadku długich łańcuchów cząsteczkowych. Daje to możliwość tworzenia całej gamy różnych rodników. Rodniki są elektrycznie obojętnymi molekułami, ale zazwyczaj duży elektryczny moment dipolowy i duży gradient natężenia pola elektrycznego wokół anody, prowadzi do przyciągania ich w kierunku anody. Rodniki są bardzo aktywne chemicznie i większość z nich wchodzi w reakcję chemiczną z innymi rodnikami. Koncentracja i rodzaj rodników w rozwijającej się lawinie nie jest znana. Niektórzy autorzy próbują zaledwie ocenić rząd wielkości, przy czym będzie się on odnosił jedynie do jednego, ściśle określonego wzmocnienia gazowego przy danej średnicy anody. Jednym z czynników zmieniającym koncentrację rodników wokół anody jest możliwość ich jonizacji zderzeniowej w obszarze rozwijającej się lawiny elektronowo-jonowej i dryf zjonizowanych rodników w kierunku katody. 61

68 ROZDZIAŁ 7 Wiązanie Energia Moment Gaz lub pary Energia Energia Moment wiązania dipolowy Wzór/nazwa dysocjacji jonizacji dipolowy [ev] wiązania systematyczna [ev] [ev] cząsteczki [10-30 C m] [10-30 C m] C H Ar C C H C=C N C C O C O C 2 H 5 OH etanol C=O C 3 H 7 OH propan-2-ol C N C 2 H 6 O eter dimetylowy ,34 N H C 2 H 6 etan O H H 2 O (para) O O C 3 H 8 O 2 dimetoksymetan F H 5.8 bd CO 2 tlenek węgla (IV) F C 5.4 bd CO tlenek węgla (II) C Cl C 4 H 10 2-metylopropan C=N 9.3 bd CH 4 metan Tabela 7.1. Energia i moment dipolowy wiązania dla wybranych wiązań kowalencyjnych, energia dysocjacji, jonizacji oraz moment dipolowy dla wybranych gazów i par [43, 44, 45, 46] Zmiany powierzchni anody Przyciągnięte do powierzchni anody neutralne, posiadające moment dipolowy rodniki, wchodzą w reakcję chemiczną z innymi rodnikami lub związkami chemicznymi. Do powierzchni anody przyciągane są również wszelkie inne elektrycznie obojętne molekuły gazu, posiadające moment dipolowy. Wskutek bombardowania elektronami o energii znacznie przekraczającej energię pojedynczego wiązania, może dochodzić do zrywania wiązań i tworzenia różnorodnych związków chemicznych. Spora część z nich pozostaje na powierzchni anody, przyciągnięta siłami elektrostatycznymi. Budujące się substancje chemiczne tworzą struktury zwarte, z biegiem czasu oblepiające prawie całą powierzchnię anody, inne jedynie częściowo przywarte do powierzchni anody, tworzą rodzaj wąsów (ang. whiskers). 62

69 ROZDZIAŁ 7 Zwarte oblepiające struktury mogą być pod względem przewodnictwa elektrycznego izolatorami, półprzewodnikami lub przewodnikami. Struktura przewodząca zwiększa lokalnie średnicę anody, co poprzez zmianę rozkładu pola elektrycznego prowadzi to do zmniejszenia współczynnika wzmocnienia gazowego. Na strukturze o własnościach izolatora, zdążające do anody elektrony gromadzą się na jej powierzchni, co również zmniejsza lokalnie natężenie pola elektrycznego, powodując zmniejszenie współczynnika wzmocnienia gazowego. Proces upływu zgromadzonego ładunku prowadzi do przywrócenia pierwotnego rozkładu pola wokół anody. Ta zmienność w czasie ilości zgromadzonego lokalnie ładunku na powierzchni izolatora prowadzi do dużej lokalnej zależności współczynnika wzmocnienia gazowego od średniej wielkości ładunku, zbieranego przez dany obszar elektrody, pokrytej warstwą izolującą. Obserwowany jest również inny proces. Przewodzące długie cienkie wąsy mogą prowadzić do lokalnego wzrostu natężenia pola elektrycznego, a przez to wzrostu współczynnika wzmocnienia gazowego. W literaturze przedmiotu do oceny własności starzeniowych mieszaniny i konstrukcji detektora stosowany jest wskaźnik, który jest wielkością całkowitego ładunku zebranego na długości 1 cm drutu anodowego. Detektory mało odporne przy 1 mc cm -1 wykazują zmiany starzeniowe, bardzo dobre dopiero przy kilku C cm Zmiany powierzchni katody Proces opisany równaniem (A.21) prowadzi do dysocjacji cząsteczek, biorących udział w neutralizacji na katodzie. Proces neutralizacji zachodzi w odległości zaledwie ułamków nanometrów od katody i stwarza możliwość przyklejania się produktów dysocjacji do jej powierzchni. Dalszy mechanizm łączenia się wolnych rodników w długie łańcuchy i późniejsze osadzanie się na powierzchni katody w postaci stałych struktur jest podobny do zjawisk zachodzących na drucie anodowym. Powstałe w ten sposób cienkie warstwy izolatora zapobiegają dalszej prostej neutralizacji jonów. Duże natężenie pola elektrycznego, które może osiągać wartości rzędu 10 7 V cm -1, występujące w cienkiej warstwie izolatora pomiędzy warstwą niezneutralizowanych jonów a powierzchnią katody, przyczynia się do emisji polowej elektronów z powierzchni elektrody i przebicia elektrycznego warstwy izolatora. Nie wszystkie elektrony uwolnione w tym procesie ulegają rekombinacji z jonami, lecz część z nich dryfuje w kierunku anody, ulega tam lawinowemu mnożeniu, co prowadzi do wzrostu prądu ciemnego detektora (efekt Maltera). Wystąpienie efektu Maltera uzależnione jest od oporu właściwego warstwy izolującej i jej grubości, a warunkiem 63

70 ROZDZIAŁ 7 koniecznym jego wystąpienia jest, aby tempo wzrostu ilości niezneutralizowanych jonów dodatnich było większe niż tempo ich usuwania. Niemniej jednak, warunki panujące w obszarze przy katodzie różnią się zasadniczo od warunków przy anodzie - brak lawin elektronowych i dużego natężenia pola elektrycznego. To sprawia, że te same rodniki mogą polimeryzować do zupełnie innych postaci Czynniki wpływające na proces starzenia Wymienione wcześniej procesy dysocjacji molekuł, odpowiedzialne za starzenie detektora, silnie zależą od składu mieszaniny roboczej i rodzaju zanieczyszczeń. Zostały opracowane wykazy, zawierające listę wyjątkowo niekorzystnych dla procesu starzenia gazów i par. Dla niektórych koncentracja na poziomie w sposób znaczący przyspiesza proces starzenia [42]. Materiały konstrukcyjne użyte do budowy detektorów i ich systemów zasilania w mieszaninę roboczą oraz wszelkie zawory, regulatory, przepływomierze, stosowane w układach zasilania, ze względu na możliwe zanieczyszczenia powierzchni i proces parowania lub desorpcji tych zanieczyszczeń, powinny być dobrane z właściwą starannością. 7.2 UWZGLĘDNIENIE PROCESU STARZENIA NA ETAPIE PROJEKTU KALORYMETRU UZUPEŁNIAJĄCEGO Na etapie projektu rozpatrywane były następujące zagadnienia pod kątem starzenia: wybór optymalnej mieszaniny roboczej, dobór właściwych materiałów do budowy układu mieszającego i systemu dystrybucji mieszaniny gazowej oraz zapewnienie odpowiednich procedur czyszczenia powierzchni, mających kontakt z gazem licznikowym. Dokonane wybory były rezultatem kompromisów pomiędzy możliwościami finansowymi, przepisami bezpieczeństwa a własnościami starzeniowymi Analiza własności starzeniowych mieszaniny Ar + CO 2 Energia dysocjacji CO 2 do CO wynosi około 4.5 ev, natomiast wiązanie CO jest najsilniejszym znanym wiązaniem i jego energia wynosi ev. To sprawia, że molekuły CO bardzo trudno ulegają dalszej dysocjacji. Wzmiankowane przez niektórych autorów występowanie zanieczyszczeń anody [47, 48] bądź katody [49] atomami węgla w detektorach pracujących z mieszaninami zawierającymi CO 2 nie były potwierdzane przez innych, a F. Sauli [48] tłumaczy te obserwacje możliwością karbonizacji polimerów organicznych, 64

71 ROZDZIAŁ 7 osadzonych na anodzie, zwłaszcza podczas eksperymentów starzeniowych, przy dużym wzmocnieniu gazowym i natężeniu prądu anody. Równocześnie same cząsteczki CO 2, CO i atomy węgla nie ulegają żadnym procesom polimeryzacji, a mogą być tylko wbudowywane w łańcuchy polimerów, zbudowanych z organicznych zanieczyszczeń. Yasuda [50] stwierdza, że większość związków organicznych, zawierających takie grupy jak -COOH, -CO-, -OCO-, - OH, -O-, -C=O niechętnie polimeryzuje w środowisku plazmy. W procesie dysocjacji CO 2 uwolniony atom tlenu, który jest silnie elektroujemny i w wyniku zjawiska przyklejania swobodnych elektronów staje się jonem ujemnym, dryfuje w kierunku anody, przyczyniając się w środowisku wysokoenergetycznych lawin elektronowych wokół anody do utleniania i eliminacji osadów związków organicznych już nagromadzonych na powierzchni anody, co jest zjawiskiem pozytywnym z punku widzenia własności starzeniowych całego detektora. Mając na uwadze te własności, wybór mieszaniny Ar + CO 2 był jak najbardziej uzasadniony z punktu widzenia efektów starzenia Dobór materiałów i metod czyszczenia Do budowy komór użyto profili duraluminiowych, które równocześnie stanowią katodę. Duraluminium, które nie jest zalecane ze względu na szybkie utlenianie się i izolacyjne własności tlenku, jest dość często używane w dużych układach, ponieważ ma mały ciężar właściwy, małą liczbę atomową Z, wysoką odporność na korozję, odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i stosunkowo niską cenę. Anodę stanowił złocony drut wolframowy. Warstwa złota na anodzie jest konieczna w komorach, w których może wystąpić tlen (również z dysocjacji CO 2 ), bo w połączeniu z elektronami lawiny bardzo szybko prowadzi do korozji innych metali. Do klejenia komór użyto twardej, dwuskładnikowej żywicy epoksydowej Araldite 2011 (AW 106/HV 9534) firmy Ciba Speciality Chemicals. Żywica ta bardzo dobrze klei elementy duraluminiowe, a jej długi łańcuch polimerowy zapewnia stosunkowo niskie ciśnienie pary nasyconej jej składników lotnych. Do połączeń elastycznych pomiędzy kolektorami a komorami użyto rurek poliuretanowych firmy Labokron Sinsheim GmbH. Poliuretan jest materiałem niepodtrzymującym palenia, odpornym na UV i akceptowalnym ze względów starzeniowych. Wprawdzie rurki polipropylenowe i polietylenowe są lepsze pod względem starzenia, nie zostały wybrane z powodu palności polipropylenu i bardzo małej elastyczności polietylenu. 65

72 ROZDZIAŁ 7 Długie sztywne odcinki oraz elastyczne połączenia systemu zasilania w mieszaninę gazową zostały wykonane ze stali nierdzewnej, krótkie z rur miedzianych, czyszczonych rozpuszczalnikami organicznymi. 7.3 EFEKTY STARZENIA W LICZNIKACH KONTROLNYCH Już po roku pracy, w większości liczników kontrolnych, zainstalowanych w gałęziach komór, zaobserwowano pierwsze niepokojące efekty starzenia, manifestujące się zmianą położenia piku od źródła 55 Fe, pogorszeniem się energetycznej zdolności rozdzielczej, czy wręcz zupełną deformacją widma energetycznego. W części liczników występowało rozmycie piku głównego w kierunku wyższych albo niższych energii, dla innych nastąpiło rozdwojenie piku. Przykładowe powyższe zmiany pokazane są na rysunku 7.1. Ładunek elektryczny na jednostkę długości drutu anodowego zebrany w tym okresie przez anody liczników wynosił około 40 mc cm -1 i wielkość ta była znacząco za niska w stosunku do oczekiwanej wartości ładunku, przy której spodziewane były pierwsze objawy efektów starzeniowych. Dlatego też zostały podjęte badania, sprawdzające własności starzeniowe samego gazu, dostarczanego do eksperymentu. Nowy licznik kontrolny został zainstalowany tuż przy układzie mieszającym, a więc z pominięciem całej dużej infrastruktury połączeń rurowych, zaworów i przepływomierzy. Źródło 55 Fe promieniowało na około 1 cm długości licznika, częstość zliczeń wynosiła około 1200 imp/s i była 3 razy większa od częstości zliczeń w licznikach pracujących w eksperymencie, napięcie pracy 1785V. Otrzymane rezultaty prezentowane są na rysunku 7.2. Przyjmując za granicę obserwacji pierwszych objawów procesu starzenia 2% zmianę współczynnika wzmocnienia gazowego, można stwierdzić na podstawie rysunku 7.2, że objawy starzenia, polegające na zmniejszeniu wzmocnienia gazowego, nastąpiły przy około 68 mc cm -1 zebranym ładunku elektrycznym na jednostkę długości drutu anodowego. Nie zaobserwowano natomiast pogorszenia energetycznej zdolności rozdzielczej licznika ani innej istotnej zmiany w rejestrowanym widmie. 66

73 ROZDZIAŁ 7 Rysunek 7.1. Przykładowe widma energetyczne źródła 55 Fe, uzyskane z liczników kontrolnych, zamontowanych na wejściu gałęzi komór, wykazujących efekty starzeniowe. Licznik nr 18 wykazuje rozmycie piku głównego w kierunku wyższych energii, licznik nr 71 rozmycie w kierunku niższych, licznik 101 wykazuje rozdwojenie piku. Widma pochodzą z bazy danych programu dozoru slow control. 67

74 WZGLĘDNA ZMIANA POŁOŻENIA PIKU [%] ROZDZIAŁ % ZMIANA POŁOŻENIA PRZY 68 mc/cm ZEBRANY ŁADUNEK [mc/cm] Rysunek 7.2. Zależność względnej zmiany położenia piku linii Mn K α od zebranego ładunku dla licznika kontrolnego, zamontowanego wprost przy zestawie mieszającym. Czystość stosowanego gazu do sporządzania mieszaniny według specyfikacji dostawcy wynosiła dla argonu w pierwszych latach eksperymentu 4.5 (tzn. 99,995%), a w końcowych 5.0. Czystość tlenku węgla (IV) wynosiła 3.8. Głównymi zanieczyszczeniami obu gazów były węglowodory łańcuchowe i aromatyczne bez szczegółowej specyfikacji. Użyty argon był dobrej czystości (jest to klasa czystości laboratoryjnej), która to stosunkowo łatwo jest osiągalna, jeżeli pozyskujemy argon poprzez odparowanie fazy ciekłej (sposób stosowany w eksperymencie ZEUS). Stosowanie gazów lepszej czystości przy tak dużym rocznym zużyciu w eksperymencie ZEUS przekraczało możliwości finansowe eksperymentu. O ile zachodzące procesy starzenia, objawiające się deformacją widm rejestrowanych przez liczniki kontrolne, zamontowane na wylocie gazu z gałęzi komór, można łatwo tłumaczyć wysokim poziomem koncentracji zanieczyszczeń mieszaniny, to liczniki, zamontowane na wejściu gałęzi komór, narażone były jedynie na możliwe dodatkowe zanieczyszczenia gazu, pochodzące z doprowadzeń rurowych, kilku połączeń lutowanych i zaworów odcinających lub regulujących. Duża wartości przepływu mieszaniny w głównych rurach zasilających daje możliwość niewielkiego wzrostu koncentracji zanieczyszczeń. Tabela 7.2 przedstawia rezultaty obserwowanych zmian starzeniowych liczników kontrolnych, zamontowanych na wejściach gałęzi komór. Liczniki brane pod uwagę na początku każdego analizowanego okresu były wymienione lub miały przesunięte źródło na nową pozycję wzdłuż anody. Daje się zauważyć, że w kolejnych latach mniejsza liczba liczników kontrolnych wykazuje efekty starzeniowe, objawiające się deformacją rejestrowanego widma. Był to z pewnością rezultat oczyszczania się układu zasilania. 68

75 ROZDZIAŁ Zebrany ładunek [mc cm -1 ] Liczniki niewykazujące 28.2% 76.1% efektów starzeniowych (procent ogółu liczników) bez zmiany położenia piku głównego 5.95 kev i zmiany energetycznej zdolności rozdzielczej bez zmiany położenia piku głównego 5.95 kev i zmiany energetycznej zdolności rozdzielczej Liczniki wykazujące słabe efekty starzeniowe (procent ogółu liczników) 23.1% pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej średnio o 4.9 pkt %, bez istotnej zmiany położenia piku głównego 55Fe 6.5% pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej średnio o 8 pkt % oraz przesunięcie położenia piku głównego w kierunku niższych energii średnio o 10% Liczniki wykazujące mocne efekty starzeniowe (procent ogółu liczników) 48.7% mocna deformacja widma w postaci multiplikacji pików głównych i pików ucieczki, deformacje objawiające się rozmyciem piku w kierunku wyższych lub niższych energii 17.4% mocna deformacja widma w postaci multiplikacji pików głównych i pików ucieczki, deformacje objawiające się rozmyciem piku w kierunku wyższych lub niższych energii Tabela 7.2. Zestawienie wyników zmian starzeniowych liczników kontrolnych zamontowanych na wejściach gałęzi komór w 1994 i 1996 roku Zmiany wzmocnienia gazowego i energetycznej zdolności rozdzielczej W celu dokładnego przeanalizowania zmian wzmocnienia gazowego i energetycznej zdolności rozdzielczej wybrano trzyokienkowy licznik kontrolny o numerze 347, który był zamontowany na wejściu gałęzi komór w eksperymencie ZEUS, wykazujący własność różnego stopnia zestarzenia anody w obszarze każdego okienka. Wyniki prezentowane są w odniesieniu do identycznego nowego licznika kontrolnego. Badania były prowadzone przy 69

76 ROZDZIAŁ 7 wykorzystaniu: mieszaniny Ar + 15%CO 2 w przepływie ze stabilizacją ciśnienia, przedwzmacniacza 142PC firmy ORTEC, wzmacniacza spektrometrycznego ORTEC model 471, karty analizatora ORTEC TRUMP PCI 2K (ORTEC) oraz źródła 55 Fe. Licznik nr 347 w obszarze okienka nr 1 wykazywał niewielkie pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej, natomiast znaczne w obszarze okienka nr 2 (rysunek 7.3). W obszarze okienka nr 2 uzyskiwane widma ze wzrostem częstości rejestracji lub ze wzrostem napięcia polaryzacji ulegały postępującej deformacji, aż do tworzenia się drugiego piku, przesuniętego w kierunku niższych energii. Na rysunku 7.3 manifestuje się ten fakt w postaci gwałtownego wzrostu wartości R powyżej napięcia polaryzacji 1600V. Widma otrzymywane przy naświetlaniu przez okienko nr 3 były tak mocno zdeformowane, że niemożliwe było wyznaczanie położenia piku i energetycznej zdolności rozdzielczej. Na podstawie otrzymanych krzywych wzmocnienia gazowego, prezentowanych na rysunku 4.2, zostały wyliczone teoretyczne krzywe wzmocnienia dla detektorów o tej samej geometrii katody, lecz różnych średnicach anod. Krzywe zostały wyznaczone na podstawie parametryzacji współczynnika wzmocnienia gazowego zaproponowanej przez Diethorna [51]. Parametryzacja Diethorna dobrze oddaje rzeczywisty przebieg krzywej wzmocnienia gazowego w zakresie tutaj stosowanych ciśnień i natężeń pola elektrycznego. Przegląd wzorów i formuł na współczynnik wzmocnienia gazowego zaproponowanych przez innych autorów można znaleźć w pracy Zastawnego [52]. Wzór Diethorna w notacji zaproponowanej przez Zastawnego (7.1) zawiera dwie stałe K 3 i K 4, które należy wyznaczyć na podstawie zmierzonych krzywych wzmocnienia gazowego: ln A pr S a a K3 ln Sa K4 (7.1) gdzie: A współczynnik wzmocnienia gazowego, p ciśnienie gazu roboczego, r a promień anody, S a zredukowane natężenie pola elektrycznego na powierzchni anody S a =E a /p (E a natężenie pola elektrycznego na powierzchni anody), K 3 i K 4 stałe parametryzacji. Wyliczone wartości współczynnika wzmocnienia gazowego dla poszczególnych promieni anody przy różnych napięciach pracy licznika zostały przedstawione na rysunku 7.4 jako względne zmiany współczynnika wzmocnienia gazowego w odniesieniu do współczynnika wzmocnienia dla licznika z anodą o promieniu 25 μm. Na tym samym rysunku zostały umieszczone punkty pomiarowe dla licznika nr 347 zmierzone w obszarze okienka nr 1 i 2. Względna zmiana wzmocnienia gazowego została wyznaczona ze zmian położenia piku linii MnK α w widmach uzyskanych z badanego i nowego licznika kontrolnego. Daje się zauważyć, że punkty pomiarowe zestarzonej anody w obszarze okienka nr 1 układają się pomiędzy 70

77 ROZDZIAŁ 7 krzywymi, odpowiadającymi promieniom anody 27.2 i 27.8 μm, sugerując niejako, że efektywny promień anody uległ w miarę jednorodnemu zwiększeniu i słabo zależy od napięcia pracy licznika. Dla okienka nr 2 punkty pomiarowe są bardziej rozrzucone i leżą pomiędzy krzywymi, odpowiadającymi wartościom promieni 27.7 i 29.3 μm. ENERGETYCZNA ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA R [%] NAPIĘCIE POLARYZACJI [V] NOWY LICZNIK LICZNIK # 347 OKIENKO 1 LICZNIK # 347 OKIENKO 2 Rysunek 7.3. Zależność energetycznej zdolności rozdzielczej R od napięcia polaryzacji dla licznika kontrolnego nr 347 i nowego, przy częstości zliczeń około 130 imp s -1. WZGLĘDNA ZMIANA A 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4 25 m 26 m 27 m 28 m 29 m LICZNIK #347 OK.1 LICZNIK #347 OK.2-0,5 30 m -0, NAPIĘCIE POLARYZACJI [V] Rysunek 7.4. Zależność względnej zmiany współczynnika wzmocnienia gazowego Aγ dla licznika nr 347 w obszarze okienka nr 1 i 2 w stosunku do położenia piku dla licznika nowego o promieniu anody 25μm, przy częstości zliczeń około 130 imp s -1. Pozostałe krzywe to względne zmiany wzmocnienia dla promieni anody odpowiednio 26, 27, 28, 29 i 30 μm, wyznaczone przy pomocy parametryzacji Diethorna. 71

78 ROZDZIAŁ Zmiany powierzchni anody W celu odpowiedzi na pytanie, jakie nastąpiły zmiany na powierzchni anody badanego licznika 347, została ona wymontowana i zbadana skaningowym mikroskopem elektronowym w Laboratorium Krystalizacji Odlewów Wydziału Odlewnictwa AGH. Na rysunkach 7.5, 7.6, 7.7 i 7.8 zamieszczone są niektóre z otrzymanych obrazów i wyników analizy powierzchniowego składu atomowego. Występowanie wolframu i złota jest oczywiste jako pierwiastków, z których wykonany jest drut anodowy. Pierwiastki o liczbie atomowej Z<6 są poza możliwością analizy użytego mikroskopu. Wysoka zawartość węgla wskazuje, że są to związki organiczne, które zawierają dużą liczbę atomów tlenu w szerokim przedziale koncentracji, od do %. Pozostałe pierwiastki również występują w różnej koncentracji. Odmienne obrazy powierzchni posiadają inne składy pierwiastkowe, można, zatem wnioskować, że są to różne związki lub różne mieszaniny związków chemicznych. Oglądane powierzchnie wykazywały własności izolatorów elektrycznych, gdyż w trakcie badania pod mikroskopem strumień elektronów ładował powierzchniowo wszystkie odcinki oglądane, zestarzonej anody (obraz otrzymywany z mikroskopu z upływem czasu Rysunek 7.5. Zdjęcie anody licznika 347 w obszarze okienka nr 1 wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym. Zaznaczony obszar analizy zawierał procentowy udział atomów następujących pierwiastków: C %, O %, Si 0.160%, W 0.39%, Au 1.218%. 72

79 ROZDZIAŁ 7 Rysunek 7.6. Zdjęcie anody licznika 347 w obszarze okienka nr 2 wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym. Mocno wypiętrzone struktury zawierały procentowy udział atomów następujących pierwiastków: C %, O 5.094%, Na 0.051%, Ca 0.025%, Zn 0.143%, W 0.195%, Au 1.675%. Rysunek 7.7. Zdjęcie anody licznika 347 w obszarze okienka nr 2 wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym. Widoczne wąsy (ang. whiskers) zawierały procentowy udział atomów następujących pierwiastków: C %, O %, Si 0.123%, Ca 0.729%, W 0.307%, Au 0.579%. 73

80 ROZDZIAŁ 7 Rysunek 7.8. Zdjęcie anody licznika 347 w obszarze okienka nr 3 wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym. Zaznaczony obszar analizy zawierał procentowy udział atomów następujących pierwiastków: C %, O %, Na 0.474%, Zn 0.424%, W 2.34%, Au 0.886%. obserwacji stawał się ciemniejszy). Proces ładowania się powierzchni anody był obserwowany najsłabiej w obszarze okienka nr 1, najsilniej w obszarze okienka nr 3. Na podstawie obrazów powierzchni drutu anodowego i rezultatów pomiarów można wyciągnąć następujące wnioski. 1. Anoda pod okienkiem nr 1 jest pokryta bardzo cienką, o grubości poniżej 0.3 μm, warstwą z dodatkowymi niewielkimi płaskimi strukturami. Stąd nieznaczne pogorszenie się energetycznej zdolności rozdzielczej, a wskutek jednorodnego ładowania się powierzchni następuje zmiana współczynnika wzmocnienia gazowego. Wyznaczony w obszarze okienka 1 średni, efektywny promień anody 27.3 μm (rysunek 7.4) nie jest rzeczywistym promieniem anody (pomiary wykazują jedynie około 25.3 μm), a jedynie efektem zaburzeń pola wskutek ładownia się powierzchni. 2. Drut anodowy pod okienkiem nr 2 jest również pokryty bardzo cienką warstwą, przy czym towarzyszą jej mocno wystające struktury o wysokości do około 10 μm lub cieniutkie wąsy, które mogą mocno zaburzać rozkład pola elektrycznego. Stąd duże pogorszenie energetycznej zdolności rozdzielczej i możliwość występowania wielu pików. Takim obrazem powierzchni anody w tym obszarze można tłumaczyć dużo bardziej zmienny przebieg względnej zmiany współczynnika wzmocnienia gazowego, prezentowany na rysunku 7.4, gdyż wraz ze wzrostem napięcia pracy detektora, mocno odstające od powierzchni anody struktury mogą zwiększać swój wpływ na rozkład pola elektrycznego. 74