Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 10, стр. 1488-1494

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной проблемой применения газоразрядных детекторов частиц в современных физических экспериментах является деградация их рабочих характеристик в условиях высокой радиационной загрузки – проблема старения. В настоящее время интерес к исследованиям радиационной стойкости газоразрядных детекторов БАК (Большой адронный коллайдер) снова усилился. Во-первых, это связано с планируемым увеличением светимости БАК в середине 2020-х годов. Во-вторых, спустя 10 лет эксплуатации на БАК отдельные катодные стриповые камеры в экспериментах CMS и LHCb все чаще демонстрируют периодическое появление спонтанных самоподдерживающихся токов − мальтеровского эффекта (МЭ) [1], что вполне может привести эти детекторы к выходу из строя. Поэтому актуальной задачей проводимых сегодня исследований стало выяснение причин возникновения спонтанных токов в пропорциональных камерах мюонной системы CMS. Возникновение МЭ в катодных стриповых камерах (КСК) трудно объяснить только присутствием кремниевых соединений в рабочем объеме этих детекторов. Дело в том, что еще в первых ресурсных исследованиях КСК было обнаружено заметное наличие соединений кремния на катодах, что, однако, не привело к обнаружению МЭ ни в лабораторных прототипах, ни в полномасштабных модулях [2, 3]. Вероятной причиной появления самоподдерживающихся токов может быть также и образование высокорезистивных окислов меди на катоде, связанное с диссоциацией углекислого газа (CO₂) в составе рабочей газовой смеси. Под воздействием электронов лавины, достигающих на краю энергетического спектра до 50 эВ, происходит диссоциация молекул CO₂ с образованием радикалов O^• и CO^• и молекул О₂ [4, 5], которые и воздействуют на поверхность меди на катоде, изменяя ее цвет в зависимости от длительности и интенсивности облучения. Одновременно не менее важным фактором, влияющим на морфологию поверхности меди на катодах, является радиационная эрозия.

Дело в том, что источником фона в мюонной системе CMS являются быстрые нейтроны с энергией до нескольких сотен МэВ, которые в результате ядерного взаимодействия с конструкционными материалами установки образуют фотоны с энергией 0.1–1 МэВ. При прохождении фотонов через газовый объем КСК образуются комптоновские электроны, энергия которых превышает пороговый уровень образования радиационных дефектов в металлах ~0.5 МэВ [5, 6]. В свою очередь, большая часть электронов спектра β-источника ⁹⁰Sr ($E_{\beta }^{{\max }}$ = 2.28 МэВ), используемого в ресурсных исследованиях, имеет энергию электронов сопоставимую с электронами фона в CMS: ∼1 МэВ.

Поэтому эффекты радиационной эрозии, обнаруженные в тестах на старение, предположительно, аналогичны явлениям, имеющим место в КСК на БАК. На этом основании главной целью представленной работы стал анализ процессов окисления и радиационной эрозии, происходящих на покрытом медной фольгой катоде КСК при облучении его электронами β-источника ⁹⁰Sr, с точки зрения образования условий для стимуляции возникновения МЭ.

1. УСЛОВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ

В ходе ресурсных исследований старение прототипов модулей КСК осуществлялось с помощью β-излучателя, состоящего из трех отдельных источников ⁹⁰Sr , помещенных в свинцовый контейнер.

В первом цикле старения источники, расположенные с шагом 0.8 см, образуют в прототипе КСК зону непрерывного облучения до 8 см² с интенсивностью потока в центре зоны облучения 4.36 ⋅ 10⁶ с^–1 ⋅ см^–2 при интегральном токе ионизации 17 мкА. Задачей этого испытания было получение верхней оценки радиационной стойкости для прототипа КСК, работающего в нормальных условиях с газовой смесью 40% Ar + 50% CO₂ + + 10% CF₄. Эта смесь является рабочей в камерах мюонного трекера CMS. За время экспонирования 2.1 ⋅ 10⁶ с аккумулированный заряд, прошедший через прототип, составил 1.36 Кл ⋅ см^–1, что соответствует почти 100 лет работы КСК в условиях HL-LHC. Однако в ходе испытаний обнаружить мальтеровский эффект не удалось.

Во втором цикле облучения, где использовалась модифицированная газовая смесь 36.6% Ar + + 62.7% CO₂ + 1.7% CF₄, скорость набора аккумулированного заряда была уменьшена в 4 раза за счет снижения тока ионизации с помощью медного фильтра с 17 до 4 мкА. Такой режим облучения был выбран для уточнения порога начала деградации прототипа КСК, у которого в рабочей газовой смеси содержание фреона СF₄ уменьшено более чем в 5 раз. Аккумулированный за время 2.3 ⋅ 10⁶ с заряд в КСК при интенсивности потока в центре зоны облучения 1.2 ⋅ 10⁶ с^–1 ⋅ см^–2 составил 0.39 Кл ⋅ см^–1. Такая величина заряда, прошедшего через детектор, в условиях HL-LHC соответствует более чем 30 годам работы. В ходе испытаний были отмечены броски тока, но также, как и в первом случае, не было обнаружено возникновение самоподдерживающегося режима – МЭ.

В обоих циклах испытаний КСК, несмотря на отличия в процентном составе газовых смесей, не было отмечено “классических” эффектов старения, обусловленных процессами полимеризации [4]. Скорость продува рабочей газовой смеси в прототипах была одинаковой в обоих циклах старения. Это обеспечивало смену 3.5 объемов газа в прототипе КСК за сутки. Поэтому при сопоставимой в обоих тестах длительности облучения ~2 ⋅ 10⁶ с обнаруженная радиационная эрозия и окисление медных катодов были обусловлены, прежде всего, интенсивностью потока электронов.

2. ОБРАЗЦЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Прототип КСК состоит из 3-х прямоугольных катодных панелей площадью 28 × 27.5 см, разделенных двумя зазорами по 0.9 см, через которые продувается рабочая газовая смесь – Ar/CO₂/CF₄. Катодные панели изготовлены из поликарбоната с гексагональной сотовой структурой (honeycomb) толщиной 1.6 см, заключенного между двух листов стеклопластика FR4 по 0.15 см, покрытых медной фольгой с толщиной 35 мкм.

После каждого цикла старения из катодных панелей прототипов на разном удалении от центра зоны облучения были вырезаны образцы фольгированного стеклопластика – диски диметром 2.4 см и толщиной 0.15 см. Из них 12 образцов были исследованы методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и обратного резерфордовского рассеяния (Rutherford Back Scattering Spectrometry – RBS).

После первого цикла старения (серия 1) для аналитического исследования результатов облучения из верхнего катода в точках с разным удалением от центра облучения были взяты шесть образцов: E_f − 1.0 см (практически в площади зоны интенсивного облучения ∼8 см²), Е-В и E-Н − 3.5 см, Е-D − 5.2 см и H − 8.5 см. На нижней катодной плоскости прототипа был взят образец С − 13.5 см.

После второго цикла облучения прототипа КСК были взяты образцы серии 2. На верхнем катоде с разным удалением от центра были взяты образцы: E_h − 1.0 см, Е-В − 3.5 см, H − 8.5 см и G − 13.5 см. На нижнем катоде также был взят образец С − 13.5 см.

Для сравнительных измерений, помимо образцов, взятых из прототипов КСК, использовался необлученный образец-эталон, вырезанный из заготовки для изготовления стандартной катодной панели.

Исходные данные для исследованных образцов серии 1 и серии 2 приведены в табл. 1. Здесь для каждого образца приведено расстояние до центра зоны облучения и соответствующая поглощенная медной фольгой образца доза в миллигреях за полное время облучения. Вычисление поглощенной дозы выполнено при помощи Монте-Карло моделирования с использованием программного пакета GEANT4. В программе для моделирования распределения потока электронов при облучении рассматривалось прохождение электронов от ⁹⁰Sr через прототип и контейнер источника излучения [7, 8]. Поглощенная медной фольгой доза вычислялась с учетом угла наклона электронов пучка. Из данных табл. 1 видно, что пучок имеет резкую границу, и уже в 5–6 сантиметрах от центра зоны облучения поглощенная медной фольгой доза падает почти в 1000 раз. Однако и удаленные от зоны облучения на 13.5 см образцы G и C тоже набрали ненулевые поглощенные дозы – 0.2 мГр, что и было подтверждено при дальнейшем анализе наличием на них следов радиационной эрозии.

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выбор методов для анализа образцов в работе был обусловлен необходимостью исследования микрорельефа поверхности медной фольги, где локализованы, как проводящие (Cu₂O), так и непроводящие (CuO) окислы меди. Кроме того, вполне возможным считалось появление на поверхности катода кремния и его окислов. Поэтому было проведено комплексное исследование образцов.

На наш взгляд наиболее эффективным методом для изучения морфологии поверхности, на которой находятся как проводящие, так и высокорезистивные химические соединения, является метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Исследование морфологии поверхности образцов было выполнено с использованием сканирующего зондового микроскопа “Solver Next” (ОАО “НТ-МДТ” г. Зеленоград). Сканирование поверхности проводилось полуконтактным методом (tapping-mode) в режиме топографии и фазы на воздухе при нормальных условиях с использованием кантилеверов серии NSG10/W₂C. Топографическая мода сканирования АСМ дает данные о рельефе поверхности. Фазовая мода применяется для оценки неоднородности свойств и химического состава поверхности. Результаты сканирования обрабатывались штатным программным модулем обработки изображения Image Analysis 3.5. Анализ параметров структуры поверхности проводился на площади 90 × 90; 30 × 30 мкм.

Элементный анализ образцов проводился на установке “Микрозонд” комплекса Микрозонд – ЭГП-10 методом RBS, основанном на спектрометрии обратно рассеянных заряженных частиц [9]. Этот метод довольно универсален, и основным его преимуществом по сравнению с другими методами анализа на ионных пучках является возможность определения практически всех элементов за исключением водорода. При исследовании образцов комплекс Микрозонд – ЭГП-10 работал в следующем режиме:

• энергия пучка – 4 МэВ (анализируемая глубина 25 мкм);

• средний ток протонов на образцах – 0.01 нА;

• размер пучка на образце – 30 × 30 мкм.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 приведены снимки катодных поверхностей трех прототипов КСК. Первый из них, не прошедший длительного облучения, демонстрирует чистую неокисленную поверхность меди на катоде (рис. 1а).

Рис. 1.

Катодные плоскости прототипов КСК: a – до начала ресурсных испытаний; б – после аккумуляции заряда 0.39 Кл ⋅ см^–1; в – после аккумуляции заряда 1.36 Кл ⋅ см^–1.

Во время экспонирования при старении КСК источник облучения ⁹⁰Sr располагался в центре катодной плоскости. В зоны облучения на площади в несколько см² образовывалась максимальная концентрация кислородосодержащих молекул и радикалов, которые потоком газа распространялись в рабочем объеме камеры [2–4]. Развитие оксидных образований на поверхности меди, как видно на рис. 1, носит хорошо локализованный характер.

Сравнение снимков на рис. 1б и 1в показывает, что состаренные катодные плоскости КСК при сопоставимых временах облучения имеют очень разную площадь окисления – пятно цвета побежалости на поверхности медной фольги. После первого цикла старения (поглощенная доза образца Е_f в центре 11 500 мГр) площадь пятна почти в 10 раз больше, чем во втором случае (поглощенная доза образца Е_h в центре 4500 мГр). Очевидно, что это обусловлено, прежде всего, разницей в интенсивности генерации кислородосодержащих молекул и радикалов в газовом объеме КСК. Как следствие, окисление приводит к возрастанию шероховатости поверхности. Причинами этого является разница плотности меди – ρ_Cu = 8.92 г ⋅ см^–3 по сравнению с образующимися на ней окислами Сu₂O (${{\rho }_{{{\text{C}}{{{\text{u}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ = 6.0 г ⋅ см^–3) и СuO (ρ_CuO = 6.31 г ⋅ см^–3) и возникающие на окисленной поверхности радиационные эффекты.

Известно, что удельное сопротивление поверхности в зонах образования окислов Cu₂O может варьироваться в диапазоне 10³−10⁸ Ом ⋅ см^–1 [10]. Заряжаясь положительными ионами из газового объема детектора, эти зоны даже без появления микропиков вполне могут стать источником автоэмиссии электронов, образующих самоподдерживающийся ток МЭ [11]. При наличии внешнего электрического поля в КСК гранулы окислов и микропики, образовавшиеся на поверхности катода благодаря радиационным эффектам, способны стать источниками возникновения спонтанных самоподдерживающихся токов эмиссии [12].

Ключевым условием АСМ-исследования поверхности образцов является получение неискаженного топографического изображения с высоким пространственным разрешением. Характерные топографические изображения поверхности образца-эталона и образцов облученных участков катода представлены на рис. 2 и 3 с размерами 90 × 90 и 30 × 30 мкм.

Рис. 2.

АСМ-скан 90 × 90 мкм a – образeц-эталон, б – образец E_f (поглощенная доза 11 500 мГр), первый цикл старения – серия 1.

Рис. 3.

АСМ-изображения образцов попарно удаленных от центра зоны облучения, размер 30 × 30 мкм: серия 1: a – H (13.5 см), б – E_f (1.0 см); серия 2: в – H (13.5 см), г – E_h (1.0 см).

Для образца-эталона на рис. 2а характерна волокнистая структура типичная для медной фольги, наклеенной на поверхность стеклопластика FR4. Видно присутствие незначительного количества небольших блистеров, образующихся в процессе наклейки медной фольги на стеклопластик при температуре ~400^○C. На рис. 2б в образце первой серии Е_f после старения исчезла типичная для фольгированной меди волнистость. Здесь присутствуют эрозионные дефекты характерные для высоких поглощенных доз: блистеры, шелушение (fleking – флекинг), кратеры, поры, трещины. Хорошо видна зона оплавления. Измерение высоты шероховатости на образце показало появление микропиков с высотой порядка 2 мкм.

На рис. 3 попарно представлены образцы серии 1 и серии 2, равноудаленные от центра облучения: на 8.5 см (a, в – H из серий 1 и 2) и 1.0 см (б, г − E_f и E_h). Видно, что микрорельеф поверхности образцов серии 1 более грубый по сравнению с серией 2 как при малой поглощенной дозе 0.2 мГр, так и при большой дозах в центре облучения. Такая повышенная дефектность образцов 1-ой серии может быть результатом интенсивного окисления поверхности продуктами плазмохимических реакций в лавинах, происходящих у анодных проволочек КСК. Известно, что помимо разницы плотностей оксидная пленка характеризуется сильной шероховатостью и дефектностью по сравнению с поверхностью чистой меди в связи с интенсивным массопереносом, сопровождающим образование окиси [13]. Поверхность образцов серии 2 после облучения прототипа КСК более сглажена, хотя и здесь в образце Е_h, взятом из зоны облучения, заметно множество образовавшихся блистеров.

Таким образом, как показал анализ микрорельефа образцов, поверхность меди значительно эродирует в обоих экспериментах. Тип и интенсивность эрозии зависит от поглощенной дозы и степени окисления поверхности. Оценка состояния поверхности образцов, выполненная путем обработки рельефа панорамных снимков (90 × 90 мкм) штатной программой “Roughness Analysis”, показала возникновение микропиков высотой в диапазоне от 1.5 до 2.5 мкм, практически по всей поверхности катодов, как в первом, так и во втором цикле старения.

Элементный анализ структуры поверхности образцов с помощью “Микрозонда” не обнаружил на поверхности катодов состаренных прототипов КСК присутствия кремния − традиционного источника возникновения МЭ. На поверхности исследованных образцов были найдены кислород и следы углерода. Однако использование RBS метода позволило обнаружить значительную диффузию кислорода внутрь медной фольги. Оказалось, что медь на поверхности образцов 1-ой серии окислена на глубину до 9 мкм. На рис. 4 приведены распределения кислорода по глубине в фольге на катоде прототипа КСК. Видно, что в приповерхностном слое на глубине D ∼ 5 мкм содержание кислорода в фольге составляет до 90%. Учитывая результаты АСМ-анализа поверхности, приведенные выше, очевидно, что это связано с окислением меди и рыхлостью поверхности, которая вызвана многочисленными радиационными дефектами.

Рис. 4.

Процентная концентрация кислорода N по глубине D в медной фольге в в образцах E_f − черные квадраты, E-Н − белые кружки, Е-D − черные треугольники. На экспериментальных точках показаны статистические погрешности, превышающие размеры обозначений.

Обобщая результаты исследований, можно представить процессы старения катода в виде последовательно протекающих стадий (табл. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния поверхности образцов катода, взятых после длительного облучения электронами ⁹⁰Sr, из прототипов многопроволочных пропорциональных камер мюонной системы CMS свидетельствует о том, что сильные изменения морфологии поверхности медного покрытия вызваны радиационно-стимулированными структурными и химическими превращениями в приповерхностных слоях. Степень деградации поверхности зависит от интенсивности облучения и растет с увеличением поглощенной дозы и с развитием процесса окисления медной фольги. Сначала меняется микрорельеф исходной медной поверхности. Затем идет ее окисление с образованием Cu₂O и последующая эрозия уже окисленной поверхности. Интенсивность и тип эрозии зависят от расположения образца относительно источника излучения, то есть от величины поглощенной дозы.

Методами атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгенодифракционного анализа и обратного резерфордовского рассеяния на установке “Микрозонд” впервые в практике исследований газоразрядных детекторов частиц проведен комплексный анализ образцов катодной поверхности прототипов КСК после накопления поглощенной дозы от 0.2 до 11 500 мГр.

• Показано, что в результате облучения электронами ⁹⁰Sr на поверхности медного покрытия толщиной 35 микрон наблюдаются эффекты, вызванные радиационной эрозией – блистеры, кратеры и флекинг.

• Обнаружено глубокое проникновение кислорода на глубину до 10 микрон при окислении медной фольги на облученном катоде.

• Высокая интенсивность проявлений радиационной эрозии и окисления позволяет предположить, что наблюдаемые дефекты на поверхности катода вполне могут быть источником возникновения спонтанных самоподдерживающихся токов в КСК CMS, площадь которых в среднем составляет ≥1 м², а длительность облучения на два порядка больше, чем в циклах на старение и составляет ∼10⁸ секунд.

• Для работы газоразрядных детекторов в схожих с КСК условиях, в конструкции которых используется медное покрытие толщиной ∼5 микрон, представленные в работе радиационные повреждения могут быть критическими для работоспособности.