Aging and gas filtration studies in the ATLAS transition radiation tracker

Abstract

ATLAS ist ein Universalexperiment für den zukünftigen Large Hadron Collider (LHC) am CERN, welches es ermöglichen wird, in neue Gebiete der Elementarteilchenphysik vorzudringen. Der Übergangsstrahlungsspurdetektor (engl. TRT, Transition Radiation Tracker) ist der äußerste von drei Subdetektoren des ATLAS Inner Detektor. Der TRT besteht aus 370000 Proportionalröhren von 4 mm Durchmesser mit einem dünnem 30 mym Anodendraht. Der Detektor wird mit dem Gasgemisch Xe/CO2/O2 bei einer Hochspannung von ungefähr 1500 kV betrieben. Die volle Funktionsfähigkeit des Detektors über die Lebenszeit (10 Jahre) des Experiments ist gefordert. Aging von Gasdetektoren ist ein Begriff unter dem man die Verringerung der Detektorleistung unter dem Einfluss von ionisierender Strahlung versteht. Dieses Phänomen impliziert komplizierte chemische und physikalische Prozesse, welche durch die Verunreinigung von extrem kleinen Mengen an organischen Siliziumverbindungen in einigen Komponenten des Gassystems hervorgerufen werden. Diese Arbeit präsentiert eine Rückschau auf frühere Aging Studien und Manifestationen wie auch eine kurze Einführung in die Arbeitsweise von Drahtkammern. Die Quelle der Aging verursachenden Verunreinigungen ist divers und beinhaltet Ausgasen von Systemkomponenten, Verunreinigung des Detektors während dem Zusammenbau und dem Gassystem selbst. Systematische Studien zu diesem Thema wurden durchgeführt. Weiters sind Techniken zur Analyse der Anodenablagerungen und zur Gasanalyse näher beschrieben. Dies ermöglicht die Bestimmung der Zusammensetzung und der Herkunft der gefährlichen Verunreinigungen. Aging Testergebnisse von Laborexperimenten und von der systematischen Bauteilvalidierung sind zusammengefasst und die Abhängigkeit des Ablagerungsprozesses von speziellen Drahtkammerbetriebsparametern wird diskutiert. Die spezifischen Ablagerungsprozesse auf der Drahtoberfläche sind extrem komplex. Eine qualitative Annäherung kann durch Ähnlichkeiten mit Prozessen in "Plasma Chemical Vapor Deposition" erzielt werden.<br />Dementsprechend werden die plasmachemischen Prozesse und Ablagerungsmechanismen von organischen Silikonverbindungen in einer ionisierenden Umgebung im Detail beschrieben. Eine nützliche Richtlinie um Aging Probleme im TRT zu vermeiden wurde erstellt. Zusätzlich ist eine Reinheitsspezifikation für die Detektorbauteile und den Zusammenbau des Detektors gegeben. Verschiedene Gasreinigungsprinzipien (cryogenic distillation, catalytic conversion, adsorption), welche die Anforderungen für das TRT Gassystem erfüllen sind beschrieben. Für die Durchführung der Adsorbertests und Konzentrationsmessungen wurde eine konstante Silikonquelle entwickelt. Das Konzentrationsniveau von üblich verunreinigten Bauteilen konnte bestimmt werden, wie auch die maximal zu erwartende Verunreinigung in dem TRT Gas System. Die erfolgreiche Abscheidung von organischen Silikonverbindungen aus dem Trägergas mit Festbettadsorbern konnte aufgezeigt werden. Zusätzlich wurde die Adsorptionskapazität von verschiedenen Adsorbentien bestimmt.<br />

The Transition Radiation Tracker (TRT) is one of three particle tracking detectors of the ATLAS Inner Detector whose goal is to exploit the highly exciting new physics potential at CERN's next accelerator, the so-called Large Hadron Collider (LHC). The TRT consists of 370000 straw proportional tubes of 4 mm diameter with a 30 micron anode wire, which will be operated with a Xe/CO2/O2 gas mixture at a high voltage of approximately 1.5 kV. This detector enters a new area that requires it to operate at unprecedented high rates and integrated particle fluxes.<br />Full functionality of the detector over the lifetime (10 years) of the experiment is demanded. Aging of gaseous detectors is a term for the degradation of detector performance during exposure to ionizing radiation. This phenomenon involves very complex physical and chemical processes that are induced by pollution originating from very small amounts of silicon-based substances in some components of the gas system. This work presents a review of previous aging studies and manifestations as well as a short introduction to wire chamber operations. The origin of the aging causing impurities is diverse and includes outgassing from assembly materials, contamination of the detector during the assembly process and the gas system itself.<br />Systematic studies on this topic have been carried out. Techniques for wire deposit and gas analyses, which allow the identification of the origin and the composition of hazardous impurities, are specified. Aging test results from laboratory experiments and from the systematic component validation procedure are summarized and the dependence of wire aging on certain chamber operation parameters discussed. The specific wire deposition mechanisms are extremely complex but a qualitative approach can be obtained from similarities with processes in plasma chemical vapor deposition. Accordingly, the plasma chemical processes and deposition mechanism of organosilicon compounds in an ionizing environment are described in detail. A useful guideline to avoid aging problems in the TRT gas system is provided. In addition a cleanness specification for the detector components and the assembly procedure is detailed. Different gas purification principles (cryogenic distillation, catalytic conversion, adsorption) that will meet the requirements for the TRT gas system are explained. In order to carry out gas purification studies and concentration measurements, a constant organosilicon source has been developed. The concentration level of common polluted gas components could be identified as well as a maximum expectable impurity level in the TRT gas system. The successful adsorption of organosilicon compounds from a carrier gas by a packed bed adsorber has been demonstrated and the adsorption capacity of different adsorbent materials was examined.