Alterung

Gas group CERN

Outgasing data - NASA

Aging studies at Heidelberg

Aging studies at NIKHEF

Former studies HD

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Draht mit Ablagerungen

Gerissener Draht

Neuer Draht

Änderung der Gasverstärkung durch Alterung (normiert)

Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Eisenspektrum

Alterung von Gasdetektoren

In der am stärksten bestrahlten Region wird der Outer Tracker von etwa 10⁵ Teilchen pro Sekunde und cm Länge durchquert. Bei einer angenommenen Betriebszeit von 10 Jahren entspricht das insgesamt 10¹³ Teilchen pro cm Straw und führt bei den vorgesehenen Betriebsparametern zu einer Ladungdeposition von bis zu 2 C/cm.
Um Strahlenschäden der Kammern vorzubeugen, wurden Materialien und Driftgasmischung mit großer Sorgfalt ausgewählt und getestet. Dies ist nötig, da manche Materialen ausgasen und verstärkt Alterung hervorrufen können. Auch die Wahl des Driftgases ist von großer Bedeutung, da es einerseits schnell sein soll, aber andererseits keine problematischen Reaktionsprodukte erzeugt werden dürfen.
Typische Alterungseffekte sind Verlust der Signalhöhe und der Energieauflösung oder Dunkerströme. Diese werden verursacht durch Ablagerungen auf dem Draht oder der Kathode (Maltereffekt) sowie anätzen der Goldoberfläche des Drahtes, was sogar zum Reissen des Anodendrahtes und damit zum vollständigen Verlust des Kanals führen kann.
In Heidelberg wurden in den letzten Jahren umfangreiche Studien zum Langzeitverhalten der Driftkammern bei hoher Bestrahlung durchgeführt. Dabei wurden u.a. der Einfluss verschiedener Kammermaterialien, die Gasmischung und einzelne Komponenten des Gassystems getestet.

Gasverstärkung

Der Wert der gesammelten Ladung 2 C/cm ergibt sich aus dem erwarteten Strom sowie der geplanten Laufzeit des Experiments. Kennt man die Primärionisation PI eines Teilchens, misst Strom und Rate R, kann man mit der Elementarladung auch die Gasverstärkung G in erster Näherung nach der Formel I = G * R* PI * e ausrechnen. Bei genauerer Betrachtung fliessen noch weitere Parameter wie Druck oder Drahtdurchmesser in die exakte Berechnung ein.

Materialien

Die verwendeten Materialien dürfen nicht ausgasen. Insbesondere die Verwendung von Silikon/ Silikonölen muss vermieden werden, da dies innerhalb kürzester Zeit zu Signalverlust führen kann.

Gas

Das Driftgas muss verschiedene Eigenschaften erfüllen. Zum einen soll die gesamte Ladung schnell zum Draht transportiert werden und die Totzeit somit möglichst gering sein.
Zum anderen darf das Gas aber keine hochreaktiven Stoffe enthalten, die wiederum Alterung hervorrufen könnten. Tetrafluormethan (CF₄) ist in Bezug auf die Geschwindigkeit eine gute Wahl, die im Plasma entstehenden Fluoratome und -ionen sind aber hochreaktiv.

Alterungserscheinungen

Wenn sich im Plasma Kohlenwasserstoffketten bilden, können sich diese auf dem Draht ablagern. Diese nichtleitende Schicht vermindert die Signalhöhe und nimmt somit im Endeffekt Einfluß auf das Signal-zu-Rausch Verhältnis.
Enstehen Radikale, z.B. durch den Einsatz von Tetrafluormethan (CF₄) in der Driftgasmischung, können diese die Goldoberfläche des Anodendrahtes anätzen. Dies kann zum Reissen des Drahtes und damit zum vollständigen Verlust eines Kanals führen. Bilden sich Ablagerungen auf der Kathode, ändert sich dadurch das elektrische Feld und es kann zu Dunkelströmen und Entladungen, dem sogenannten Maltereffekt, kommen.