научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОГО ФИЛЬТРА В ЗАМКНУТОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОГО ФИЛЬТРА В ЗАМКНУТОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 2, с. 15-21

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.074.23

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВОГО ФИЛЬТРА В ЗАМКНУТОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS © 2012 г. В. Г. Бондаренко, Б. А. Долгошеин, С. П. Коновалов, В. А. Крамаренко*,

И. А. Кудряшов*, А. Н. Ларичев*, И. С. Маркина, В. В. Сосновцев, С. И. Сучков

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 117312, Москва, Каширское ш., 31 *НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Россия, 119992, Москва, Воробьевы горы, 1, стр. 2 Поступила в редакцию 17.06.2011 г.

Приведены результаты исследований газового фильтра в циркуляционной системе детектора переходного излучения установки ATLAS. Описаны прототип циркуляционной газовой системы и методика исследования радиационного старения в ней. Измерена скорость радиационного старения в системе без газового фильтра и с ним.

ВВЕДЕНИЕ

Трековый детектор переходного излучения TRT (Transition radiation tracker) является одним из трех детекторов, образующих внутренний координатный детектор установки ATLAS, созданной в CERN для изучения фундаментальных физических процессов на пучке Большого адронного коллайдера LHC (Large Hadron Collider).

В детекторе переходного излучения используются газовые дрейфовые трубки диаметром 4 мм, изготовленные по специальной технологии из полиимидной пленки [1]. Пространственное разрешение детектора 150—170 мкм при пороге регистрации ~300 эВ. Детектор регистрирует фотоны переходного излучения (~6 кэВ), возникающие в радиаторе между слоями дрейфовых трубок. Общее количество каналов регистрации 420 000 [2]. Внутренний детектор находится в области сильных радиационных загрузок. Каждая дрейфовая трубка за 10 лет работы LHC получит 10 Мрад и 1014 нейтронов/см2. Это соответствует суммарному заряду 10 Кл или 100 нА на 1 см длины каждой дрейфовой трубки.

Для эффективной регистрации переходного излучения в дрейфовых трубках используется газовая смесь на основе ксенона Xe(70%) + CO2(27%) + + O2(3%), обеспечивающая высокую скорость дрейфа электронной компоненты сигнала и стабильную работу детектора в достаточно широком диапазоне рабочих напряжений [3, 4]. Используемая газовая смесь не содержит органических компонент, поэтому процессы отложения органики на анодах дрейфовых трубок сильно подавлены и возможны только за счет органических за-

грязнений в газовой системе. Химически активные радикалы кислорода, возникающие в этой газовой смеси в области пропорционального разряда вблизи сигнальной нити, взаимодействуя с гидрокарбонами, разрушают отложения органики на сигнальных нитях. Однако эта газовая смесь оказалась чувствительной к органосиликоновым примесям [3, 5], поскольку радикалы кислорода слабо взаимодействуют с силиконовыми отложениями на сигнальных нитях. В связи с этим требования к чистоте газовой системы и газовой смеси очень высоки. Примеси в газе могут возникать от дегазации силиконовых соединений, содержащихся в материалах как газовой системы, так и детектора. Следует заметить, что материалы, содержащие органосилоксаны, широко используются в современных газовых приборах в виде различных силиконовых масел и смазок.

Использование в детекторе дорогостоящего газа обусловило необходимость создания замкнутой газовой системы циркуляционного типа. Существуют два метода борьбы с примесями в такой системе: жесткий контроль и отбор по чистоте элементов в процессе монтажа газовой системы и использование специального фильтра для поглощения примесей. В качестве таких фильтров обычно используют твердые гранулированные микропористые материалы с разветвленной поверхностью [6]. Преимущество таких материалов заключается в том, что они работают при комнатных температурах и не требуют применения дополнительных источников энергии. Кроме того, они обладают высокой объемной плотностью, оказывают малое сопротивление газовому потоку и образуют мало пыли. Размеры гранул адсорбента и размеры

фильтра обычно выбирают опытным путем. Для обеспечения ламинарности газового потока диаметр фильтра должен быть в 10 раз больше размера гранул, а для обеспечения эффективности чистки длина фильтра должна быть в 5 раз больше его диаметра [7].

В данной работе исследуется адсорбент — катализатор ГТТ, разработанный в МГУ. Катализатор изготавливается в виде гранул пористого материала — алюмосиликата, покрытого окислами металлов: оксидом марганца, оксидом меди и оксидом никеля. Гранулы имеют цилиндрическую форму диаметром 1 мм и длиной 2—4 мм. Объемная плотность катализатора 0.63 г/см3, ориентировочная цена 45$ за килограмм. В промышленности этот катализатор используется для разложения озона [8], а в газовой системе детектора TRT озон образуется вблизи сигнальной проволочки детектора. Помимо разложения озона, окислы металлов поглощают органические и силиконовые примеси. Катализатор можно регенерировать при температуре 300°С.

Ниже даны оценки эффективности химического фильтра для чистки газовой смеси и приемлемо-возможной концентрации загрязнения газовой системы и прототипов с использованием дополнительного источника примесей Si. Приведены результаты исследования работы прототипа газовой циркуляционной системы с реальным модулем боковой части детектора переходного излучения (End-Cap TRT) и эффектов радиационного старения детектора в условиях, приближенных к условиям работы установки ATLAS.

ПРОЦЕДУРА ПОДГОТОВКИ К ИЗМЕРЕНИЯМ

Все элементы газовой системы подвергались чистке в ультразвуковой ванне с изопропиловым спиртом с последующей сушкой. Чистка детектора осуществлялась длительным продувом СО2. Все элементы газовой системы, включая детектор, были проверены на содержание примесей.

Проверка состояла в следующем: газовая смесь, циркулирующая в замкнутой системе, направлялась в облучаемую рентгеновским источником мо-ниторную дрейфовую трубку, после чего — в атмосферу. Чистота газа и содержание примесей оценивались по падению амплитуды сигнала (старению) в облучаемой мониторной дрейфовой трубке.

Для проверок была выбрана газовая смесь Ar/CO2 c целью экономии дорогостоящего ксенона. Чистота газовой системы проверялась так же, как и в CERN при исследованиях чистоты элементов газовой системы [3, 4]. Чистая газовая смесь Ar/CO2 продувалась через проверяемые элементы газовой системы, а затем — через мони-торную дрейфовую трубку, которая облучалась

рентгеновским источником. Поток газа через детектор составлял 1.5 см3/мин, плотность ионизации — 100 нА/см. За время облучения 250 ч, что соответствует 2000 ч работы детектора в рабочих условиях, не было зарегистрировано изменений амплитуды мониторной дрейфовой трубки при 2%-ной точности измерений.

Перед наполнением рабочей газовой смесью система вместе с детектором продувалась СО2 в течение ~3 сут. Затем газовая система наполнялась и продувалась в атмосферу рабочим газом Xe(70%) + CO2(27%) + O2(3%) до тех пор, пока содержание влаги не превысит 2000 ррм. После этого в газовую систему вводился источник загрязнений, система закрывалась, и включалась циркуляция.

ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ СИСТЕМА

Для проведения исследований в МГУ был создан прототип замкнутой циркуляционной системы. Схема газовой системы приведена на рис. 1. Система полностью собрана из элементов, которые используются в газовой системе детектора переходного излучения. Все газовые соединители типа Gyrolok, газовые трубы и вентили выполнены из нержавеющей стали. Основное отличие этой системы от газовой системы детектора TRT установки ATLAS состоит в том, что в ней нет системы удаления СО2 и миксера для дозирования газовых компонент. Используется предварительно приготовленная газовая смесь в баллоне.

Циркуляционный насос мембранного типа выполнен из нержавеющей стали. Мембрана и клапаны изготовлены из фторполимерной резины типа VITON. Насос обеспечивает регулируемый поток газа до 2 л/ч и способен работать до давлений 500 мбар. Два демпфирующих объема служат для снятия пульсации потока, вызванной работой насоса, и для защиты элементов системы при резком изменении давления внутри системы.

Капиллярный измеритель потока. Циркуляционная система создавалась для экспериментов с различными газовыми смесями, в том числе содержащими CF4. В связи с этим в системе не применялись стеклянные ротаметры, так как стекло разъедается активными фтористыми соединениями, возникающими при ионизации.

Измеритель циркуляционного потока собран на капилляре из нержавеющей стали. Падение давления Ар в капилляре измеряется дифференциальным датчиком и регистрируется компьютером. Поток рассчитывается по известной формуле Хагена—Пуазейля [7]:

F _ nApR4

_ 8|L '

777777?

Рентген 10 кэВ

Рис. 1. Схема прототипа циркуляционной газовой системы. Увх и Квых — управляемые от компьютера электромагнитные клапаны.

где Ш — поток; Я — радиус капилляра; Ь — длина капилляра; ц — динамическая вязкость газа.

Измерителем перепада давления служит тен-зодатчик МРХ-5010D, рассчитанный на диапазон измерений 0—100 мбар. Информация с него поступает в АЦП микроконтроллера АТ9088515, после чего — в компьютер.

Фильтр. Корпус фильтра для чистки газовой смеси изготовлен из стальной нержавеющей трубки диаметром 10 мм и длиной 26 см. В фильтре используется адсорбент ГТТ На входе и выходе установлены механические полипропиленовые фильтры, которые фиксируют гранулы адсорбента внутри фильтра и предотвращают попадание пыли из адсорбента в систему. Для оценки эффективности выбранного фильтра в систему был введен искусственный источник загрязнений. Он представляет собой кремнеорганический компаунд, который создает в газе небольшое парциальное давление силоксана. Небольшое количество компаунда, ~2 мм3, помещено в газовую трубку непосредственно перед фильтром. Предварительно была измерена мощность источника кремниевых примесей. На рис. 2 показано старение монитор-ной дрейфовой трубки, в которую поступает газ из источника кремниевых примесей. Силиконовые примеси источника вызывают радиационное старение в детекторе 1%/ч.

Детектор. Д

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»