Was bedeutet Alterung?

Die Alterung von Gasdetektoren beim Betrieb mit ionisierender Strahlung ist ein immer wieder heiß diskutiertes Thema im Detektorbau. Die Prozesse, die zur Alterung ( ageing) führen, sind sehr komplex. Darum sind verschiedene Experimente zur Alterung nur schwer vergleichbar, da Alterungsphänomene von sehr vielen Parametern abhängen und jedes Experiment andere Parametersätze verwendet. Eine Extrapolation auf andere Bedingungen ist nur sehr bedingt möglich.
Daraus ergibt sich klar die Notwendigkeit, Alterungsuntersuchungen unter den jeweils experimentspezifischen Rahmenbedingungen durchzuführen.

Unter dem Phänomen Alterung versteht man ganz allgemein eine Verschlechterung der Detektoreigenschaften, so z. B. folgende Beobachtungen:

• Die Pulshöhe des Ausgangssignals des Gasdetektors fällt mit fortschreitender Betriebszeit ab.
• Die Energieauflösung des Detektors wird schlechter.
• Es fließt auch ohne Bestrahlung ein Strom zwischen Driftkathode und Anoden.

Ein detailliertes und wirklich quantitatives Verständnis der Alterungsprozesse gibt es (noch?) nicht. Trotzdem lassen sich aus dem Betrieb von Vieldrahtproportional- und Driftkammern in den letzten Jahrzehnten einige Schlußfolgerungen entnehmen (siehe [Kad90]):

• Die Lawinenbildung beim Gasverstärkungsprozeß kann als Mikroplasmaentladung betrachtet werden. In diesem Plasma werden die Zählgase und vorhandene Verunreinigungen zum Teil zersetzt, so daß es zur Bildung von teilweise recht aggressiven Radikalen kommt. Diese freien Radikale können sich zu langen Molekülketten verbinden (Polymerisation) und sich dann auf den Elektroden ablagern. Diese Ablagerungen reduzieren das elektrische Feld z. B. an der Anode, und damit nimmt die Gasverstärkung bei gleicher Spannung ab.
• Verunreinigungen, die diesen Prozeß unterstützen, können bereits im Kammergas vorhanden sein oder auch durch Ausgasen von Baumaterialien oder Komponenten des Gassystems in die Kammer gelangen. Dies sind z. B. Halogene aus PVC-Schläuchen und GFK (glasfaserverstärkter Kunstoff), kohlenstoffhaltige Polymere aus ``"Ol-Bubblern'' oder Silizium aus Gummidichtungen, Schläuchen, Fetten (``Silikonfett'') und G10-Material (glasfaserverstärktes Epoxydharz). Hier reichen schon Verunreinigungen von wenigen ppm, um signifikante Alterungserscheinungen auszulösen.

Neben dem grundsätzlichen Versuch, diese Quellen der Verunreinigung und zur Polymerisation neigende Zählgase (z. B. Kohlenwasserstoffe) zu vermeiden, wird in der Literatur aber auch von ``Verunreinigungen'' gesprochen, die Alterungsphänomene vermeiden oder verlangsamen:

• Gaszusätze aus organischen Verbindungen mit Gruppen, die Sauerstoff enthalten, neigen weniger zur Polymerisation. Der atomare Sauerstoff bildet in Reaktionen mit Kohlenwasserstoffen stabile, leicht flüchtige Moleküle (CO, $\rm CO_2$, $\rm H_2O$, $\rm H_2$), die aus dem Detektor gespült werden. Diese Verbindungen sind z. B. $\rm H_2O$, Alkohole, Methylal und Dimethylether (DME) $\rm (CH_3)_2O$. Mit DME wurden bereits vielversprechende Alterungsmessungen durchgeführt [Bou94], [Boi96], [Bec94].
  Da DME zudem mit einer hohen Primärionisation, hohe Driftgeschwindigkeit und guten Eigenschaften als Quencher geeignete Zählgaseigenschaften besitzt, wurde eine Mischung aus Argon und Dimethylether im Verhältnis 1:1 als Zählgasmischung für den Betrieb der GEM-MSGCs gewählt.
• Durch Wasserdampfzusatz wird die Leitfähigkeit schon vorhandener Verunreinigungen verbessert und damit die Lebensdauer des Detektors erhöht. Die Verbesserung der Leitfähigkeit gilt natürlich nicht nur für mögliche Ablagerungen, sondern für alle Oberflächen von Isolatoren im Gasvolumen, wie z. B. das GFK-Rahmenmaterial, das Kapton der GEM-Folie oder die Kleberränder.
  Im Rahmen der Untersuchungen des Hochraten-Betriebsverhalten der GEM-MSGC wurde zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen in der GEM-Folie und an der Klebestelle des Rahmens auf das MSGC-Substrat dem Zählgas Wasserdampf in einer Konzentration von 0,3 % beigemischt. Die Überschläge konnten tatsächlich vermieden verden, der Wasserdampfzusatz führte aber zu erheblicher Anodenalterung (siehe Abschnitt 4.6.5).