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 CO2), 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.

Długie sztywne odcinki oraz elastyczne połączenia systemu zasilania w mieszaninę gazową zostały wykonane ze stali nierdzewnej, krótkie z rur miedzianych, czyszczonych rozpuszczalnikami organicznymi.

7.3E

Już po roku pracy, w większości liczników kontrolnych, zainstalowanych w gałęziach komór, zaobserwowano pierwsze niepokojące efekty starzenia, manifestujące się zmianą położenia piku od źródła ⁵⁵Fe, 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 ⁵⁵Fe 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.

Rysunek 7.1. Przykładowe widma energetyczne źródła ⁵⁵Fe, 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.

0 20 40 60 80 100 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 W ZG LĘ D N A ZMI AN A PO ŁO ŻEN IA PI KU [ % ] ZEBRANY ŁADUNEK [mC/cm] 2 % ZMIANA POŁOŻENIA PRZY 68 mC/cm

Rysunek 7.2. Zależność względnej zmiany położenia piku linii Mn Kα 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.

1994 1996

Zebrany ładunek [mC·cm^-1] 32 28

Liczniki niewykazujące efektów starzeniowych (procent ogółu liczników)

28.2%

bez zmiany położenia piku głównego 5.95 keV i zmiany

energetycznej zdolności rozdzielczej

76.1%

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.

7.3.1 Zmiany wzmocnienia gazowego i energetycznej zdolności rozdzielczej