Studi sulle performance dei rivelatori RPC operanti con miscele di gas ecologiche

Resistive Plate Chamber (RPC) detectors are widely employed in the CERN LHC experiments due to their excellent time and spatial resolutions of approximately 1 ns and a few millimeters, respectively. Their low production cost also makes them suitable for covering large detector surfaces. However, RPC detectors are responsible for the highest greenhouse gas (GHG) emissions among gaseous detectors, primarily due to the use of fluorinated gases in their operating mixtures.Currently, these detectors operate with a GHG mixture containing C₂H₂F₄ (R-134a) and SF₆, both of which have high Global Warming Potential (GWP) values, meaning they trap significant amounts of heat in the atmosphere, contributing to climate change. These GHGs are regulated by European Union legislation, which restricts their availability and leads to increased market costs. During LHC Run 2, the ATLAS-RPC and CMS-RPC systems accounted for approximately 87% of the total greenhouse gas emissions from CERN’s gaseous detectors, largely due to gas leaks at the detector level.The aim of this study is to identify a gas mixture with a significantly lower GWP that can still ensure optimal RPC detector performance under the high radiation background conditions expected during the High-Luminosity LHC (HL-LHC) phase. To achieve this, the detectors were tested at the CERN Gamma Irradiation Facility (GIF++), which provides a high-energy muon beam combined with an intense gamma radiation source, replicating the expected HL-LHC background.The eco-friendly gas mixtures selected for the study include alternative low-GWP gases such as CO₂ and Hydro-Fluoro-Olefins (HFOs) as substitutes for R-134a, as well as Novec™ 4710 as a replacement for SF₆. The performance of these mixtures was analyzed and compared with that of the current standard RPC gas mixture used in ATLAS and CMS experiments.Key performance indicators analyzed included: detection efficiency, avalanche and streamer charge, streamer probability, cluster size, and detector currents under varying gamma irradiation rates.The gas mixture that offered the best compromise between reduced GWP and maintained detector performance was identified as: R-134a/CO₂/i-C₄H₁₀/SF₆ (64.5/30/4.5/1).This eco-friendly mixture was selected by the EP-DT gas team in collaboration with the ATLAS group at CERN for long-term aging tests. It has been in use in ATLAS RPCs at LHC since August 2023.

I rivelatori RPC (Resistive Plate Chamber) sono ampiamente utilizzati negli esperimenti di LHC al CERN grazie alla loro eccellente risoluzione temporale e spaziale, rispettivamente di circa 1 ns e pochi millimetri. Il loro basso costo di produzione li rende inoltre adatti a coprire ampie superfici rivelatrici. Tuttavia, i rivelatori RPC sono responsabili delle più alte emissioni di gas serra (GHG - Greenhouse Gases) tra i rivelatori a gas, principalmente a causa dell’uso di gas fluorurati nelle loro miscele operative.Attualmente, questi rivelatori funzionano con una miscela GHG contenente C₂H₂F₄ (R-134a) e SF₆, entrambi gas con un elevato Potenziale di Riscaldamento Globale (GWP - Global Warming Potential), il che significa che intrappolano quantità significative di calore nell’atmosfera, contribuendo al cambiamento climatico. Questi gas serra sono regolamentati dalla legislazione dell’Unione Europea, che ne limita la disponibilità e comporta un aumento dei costi di mercato. Durante il Run 2 del LHC, i sistemi ATLAS-RPC e CMS-RPC hanno rappresentato circa l’87% delle emissioni totali di gas serra provenienti dai rivelatori a gas del CERN, principalmente a causa di perdite di gas a livello dei rivelatori.L’obiettivo di questo studio è identificare una miscela di gas con un GWP significativamente più basso che possa comunque garantire prestazioni ottimali dei rivelatori RPC, anche nelle condizioni di elevato fondo radiativo previste durante la fase High-Luminosity LHC (HL-LHC). Per raggiungere questo scopo, i rivelatori sono stati testati presso il Gamma Irradiation Facility (GIF++) del CERN, che fornisce un fascio di muoni ad alta energia combinato con una sorgente intensa di radiazione gamma, replicando il fondo previsto per l’HL-LHC. Le miscele di gas ecologiche selezionate per lo studio includono gas alternativi a basso GWP come CO₂ e Hydro-Fluoro-Olefins (HFO) in sostituzione dell’R-134a, così come Novec™ 4710 in sostituzione dell’SF₆. Le prestazioni di queste miscele sono state analizzate e confrontate con quelle della miscela standard attualmente utilizzata nei rivelatori RPC di ATLAS e CMS. Gli indicatori di prestazione analizzati hanno incluso: efficienza di rivelazione, carica da valanga e da streamer, probabilità di streamer, dimensione del cluster e correnti del rivelatore sotto diversi tassi di irraggiamento gamma. La miscela di gas che ha offerto il miglior compromesso tra riduzione del GWP e mantenimento delle prestazioni del rivelatore è risultata essere: R-134a/CO₂/i-C₄H₁₀/SF₆ (64.5/30/4.5/1). Questa miscela ecologica è stata selezionata dal team gas del dipartimento EP-DT in collaborazione con il gruppo ATLAS del CERN per test di invecchiamento a lungo termine. È in uso nei rivelatori RPC di ATLAS presso l’LHC dall’agosto 2023.