Ageing nelle RPC: l’esempio di BaBar

BaBar IFR concept

Resistive Plate Chamber Bakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettrico Gas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano. Grafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparente Strisce: elettrodi di lettura Olio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakelite (ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)

Resistive Plate Chamber Bakelite: alta resistivita’, evita la propagazione della scarica grazie a una caduta locale del campo elettrico Gas: deve assorbire i fotoni UV. Molto isobutano quindi, non potendo per varie ovvie ragioni si usa tetrafluoretano. Grafite: serve a distribuire la tensione sul tutta la superficie. Resistivita’ abbastanza alta per essere trasparente Strisce: elettrodi di lettura Olio di lino: un pizzico di mistero non guasta. [serve a rendere priva di asperita’ la superficie interna della bakelite (ricordatevi che il campo e’ di 10000V su 2mm)

Due modi di funzionamento Streamer : 200 mV su 50 Ohm, 1nC di carica (un risparmio non indifferente sull’elettronica che segue) Avalanche The vertical scale is 200mV, since amplification is 200, so the equivalent vertical scale is 1mV/div. Time scale is 50ns/div. Gas mix: R134A/Isobutane/SF6 (94/5/1), HV = 10600V. Pochissima carica, molto rumore Elettronica delicata. Alta rate !!!!!

GIUGNO ‘99

Il rimedio Raffreddamento del ferro attraverso un sistema di circolazione di acqua fredda

E con una sola fine possibile: la morte  accese tutte % m orti 1999 2000

Il vero problema: tuttavia all’epoca incompreso I(mA) I(mA)

Un interessante problema di fisica Sfortunatamente fuorviante bottoni

Altre simpatiche foto

Da cosa e’ costituito questo olio Da cosa e’ costituito questo olio ? E’ una mistura di trigliceridi, formati da una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi. Ma vicino alle “stallattiti”…..

E si e’ formato uno strato solido di olio. Probabilmente dopo la polimerizzazione c’e’ stato una ossidazione dell’olio di Lino E si e’ formato uno strato solido di olio. L’analisi spettroscopica ha evidenziato la presenza di ftalati che possono inibire La polimerizzazione. L’aumento di temperatura ha sciolto una parte di olio, mentre il campo elettrico Facilita la formazione di bolle/stalagmiti che uniscono I due strati del gap. Per creare questo distastro servono: Olio non del tutto polimerizzato Alte temperature Campo elettrico

Il ‘rassicurante’ modello L’olio di lino sciolto mette in quasi corto circuito I piani della RPC: potenziale abbassato

Questo modello sembra buono ma…non spiega tutto in primis perche’ le camere continuino a peggiorare (mica penserete che l’olio si continua a sciogliere) -e poi perche’ le camere continuino a morire E c’e’ un altro problema che non si spiega col modello descritto. Le camere sembrano morire dopo che la corrente (alta !) comincia a diminuire e rapidamente si azzera !!!!

Il mistero profondo  I (A) Questo non e’ compatibile col modello a gocce d’olio

Succede in quasi tutti i decessi

Radiografia di un disastro Efficiency

Decisione: rifare le RPC Rifacimento di 24 moduli Senza cambiamenti apprezzabili nel processo di produzione (eccetto una oliatura fatta in modo diverso) Installazione in un quarto del Forward Operati in un ambiente a temperatura controllata E monitorati con attenzione

Putroppo non funziona… Ageing osservato anche in condizioni di funzionamento stabili e controllate

Un caso interessante

Un caso terrificante

La morte in diretta

R(bakelite) vs Charge

Ma anche l’umidita’ vuole essere protagonista Prego notare che : Atmosfera secca produce incremento di resistivita’ Aria umida riporta la resistivita’ a bassi valori

Noise vs Temperature 21 gradi 31 gradi

Autopsie

Analisi di una RPC Bad #2

Regione bad 1 Bad #2 Il contatore non e’ danneggiato ne meccanicamente ne elettricamente Il gas secco ha fatto aumentare paurosamente La resistivita’ della grafite. Cura: gas umido

Regione 2 Bad #2 Ecco una chiave. La grafite evapora nelle zone ad alta Corrente. Cura: nessuna

REGIONE BUONA Bad #2 Stava per morire. Improvvisamente. Cura: nessuna Paradossalmente la regione migliore e’ quella che non Funziona.

e i difetti sono da evitare

tutti , ma proprio tutti

intanto si costruiva il futuro Forward scelto perche’ accessibile anche in assenza di una comprensione completa del problema Unica scelta per poter porre rimedio a breve Termine Cmq una buona meta’ dell’angolo solido E l’aggiunta dell’ottone cura un altro problema

La chiave che apre quasi tutte le porte: QC/QA

Qualita’ meccanica (2)

Le sorprese non finiscono mai Random trigger No beam Cosa rende Up e Down Asimmetrici ? Problema: il gas e’in serie. Entra nel modulo di sotto e esce in quello di sopra.

Il problema del Fluoro !!!!!

Topologie e trucchi

In media funziona (l’inversione)

Nei layer interni il fondo e’ concentrato vicino alla Beam Pipe Sono tanti Hz/cm2

Nei layer esterni il fascio illumina a giorno

controprova Only the chambers marked NEW are ‘new’. The others belongs to the original production and do not show any improvement

Talvolta la bruta forza

Sono anche doppi layer

Torniamo ai layer interni La perdita di efficienza a piccoli raggi (alta rate) sembra inevitabile (sebbene non danneggi il contatore)

Intelligenza, questa volta: trasformazione in Avalanche

Dark current Layer #1 beam cosmic ∆I ~ 5A Avalanche chamber Fact of 5 less Layer #2 Streamer chamber ∆I ~ 20A

Piu’ semplice di quanto temuto

Avalanche vs Streamer Lower current , less current, less voltage drop , higher efficiency: as simple as Ohm

La spiegazione (del barrel) La temperatura creo’ le stalattiti, le stalagmiti, i depositi di olio sulle cornici L’olio evidentemente non era polimerizzato La conseguenza fu un incremento brutale della corrente Ohmica e delle scariche (correnti di 200 A !!!!) La carica che e’ fluita in alcune regioni critiche ha fatto diminuire l’efficienza (legge di Ohm) quando e’ andata bene (ma con un peggioramento costante (aumento della resistivita’ della bakelite colla carica). Quando e’ andata male (e prima o poi si passa la soglia) ha fatto evaporare la grafite e provocato la morte del contatore

La spiegazione (del Forward 2 versione) Il gas fatto fluire era secco e lento La bakelite e’ aumentata di resistenza L’effetto e’ stato compensato aumentando la tensione I difetti locali hanno innescato hot spot virulenti Il fluoro intanto lavorava e creava i beam tree mangiandosi l’olio di lino, facendo aumentare il numero delle scariche locali ed eventualmente facendo superare localmente al contatore la soglia di evaporazione della grafite Inefficienze locali quindi ma non morte del contatore

I Comandamenti I Peccati L’unico modo di operare che dovrebbe essere permesso e’ l’Avalanche I contatori devono essere delle unita’ di gas individuali Il gas non dovrebbe contenere Fluoro Tuttavia se uno sa bene quello che fa puo’ sopravvivere per il tempo dell’esperimento violandi qualcuna delle regole BaBar viola tutte e tre le regole ma i contatori sono costruiti come gioielli e quindi sopportano la violenza in modo stoico (eccetto Ohm !) I Peccati

I problemi di ageing a BELLE

I(mA)

La presenza di acqua insieme al fluoro ha innescato la reazione Cosa e’ successo ? La presenza di acqua insieme al fluoro ha innescato la reazione H20 + F  HF Anodo (FREON) Catodo (FREON) Anodo (Senza FREON) Anodo ( FREON) Vetro

Anode ok Catodo ok

La soluzione e’ quindi quella di aprire le camere e pulire I vetri dagli accumuli di Fluoro In alternativa si puo’ anche far flussare HN3