Сцинтилляционный и ионизационный процессы в ксеноне и в его смесях с метаном как в рабочем веществе время-проекционных камер

Сцинтилляционные процессы в инертных газах изучаются несколько десятков лет. Достаточно хорошо изучены сцинтилляционные процессы как в чистом ксеноне, так и в ксеноне с добавками инертных газов (аргон, гелий и т. д.) [1−6]. В последнее время уделяется большое внимание исследованию процессов сцинтилляции и ионизации в связи с созданием современных время-проекционных, двухфазных (жидкость-газ) и однофазных (жидкость или газ) детекторов для применений в астрофизических исследованиях, для поиска темной материи, когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона и т. д., где сцинтилляция служит для дополнительного анализа регистрируемых событий. В ионизационном детекторе сцинтилляционный сигнал может служить для выработки триггера [7] и таким образом, позволять корректировать ионизационный сигнал [8], что дает возможность избавиться от использования экранирующих сеток [9], вносящих определенный вклад в ухудшение энергетического разрешения.

Значительный выигрыш по световому сигналу может быть получен, если вместо сцинтилляции использовать электролюминесценцию рабочей среды. Поскольку световыход электролюминесценции в однородном поле пропорционален пути дрейфа электронов и их энергии, достаточно большой световыход может быть достигнут увеличением пути дрейфа и напряженности электрического поля. Электролюминесценция возможна как в газообразной, так и в конденсированной фазах благородных газов, однако в газообразной фазе технически проще обеспечить высокий световыход. Возможность использования сцинтилляции и электролюминесценции благородного газа во времяпролетной методике была продемонстрирована авторами работы [10], разработавшими прецизионную дрейфовую камеру на жидком ксеноне (Хе). Сцинтилляционная вспышка в жидком Хе при проходе в нем а-частицы служит стартовым импульсом времяпролетного спектрометра. Электроны ионизации, вытянутые электрическим полем с треков а-частиц, дрейфуют к проволочному электроду-аноду. Если напряженность электрического поля у анода достаточно высока, при собирании электронов в жидком Хе возникает электролюминесцентная вспышка. Получаемый при этом ионизационный сигнал также может быть использован для выработки сигнала «стоп», однако достигаемое при этом временное разрешение оказывается несколько хуже, чем в случае использования электролюминесценции. В настоящее время является актуальным создание время-проекционного детектора на основе ксенона высокого давления для изучения минераллогического состава планет, где сцинтилляция выполняет роль триггера.

Выбор рабочего вещества для таких типов детекторов определяет большую роль их использования. Ксенон, как рабочее вещество детектора, обладает высоким сцинтилляционным выходом по сравнению с другими наиболее часто использующимися благородными газами (аргон и криптон) и коротким временем высвечивания. Следующими основными параметрами, определяющими критерий выбора ксенона в качестве рабочего вещества время-проекционных детекторов являются: вероятность взаимодействия гамма-излучения с веществом, заряд атомного ядра Z. Известно, что сечение взаимодействия гамма-квантов с атомами сильно зависит от заряда ядра:

5 2 фотоэффект ~ Z, комптон-эффект ~ Z, процесс образования пар ~ Z. С этой точки зрения Хе (Z=54) является одним из наиболее эффективных поглотителей гамма-излучения. Кроме заряда ядра, важнейшей характеристикой детектирующей среды является ее плотность. Благодаря высокой сжимаемости, газообразный ксенон имеет значительную плотность при относительно невысоком давлении (1 г/см3 при 70 атм). В зависимости от конкретных условий эксперимента (диапазон температур, объем и толщина стенок камеры и др.) рабочая плотность ксенона может быть различной. Ксенон характеризуется низкой скоростью «горячих» электронов, что приводит к значительному размытию электронного облака вследствие диффузии во время его движения к электроду-аноду. Это, в свою очередь, приводит к затруднениям определения места конверсии радиационного излучения с веществом во время-проекционных детекторах по сцинтилляционному сигналу. Известно, что добавление легких молекулярных газов в атомарные, обеспечивает значительное увеличение скоростей дрейфа электронов. Среди молекулярных газов широко примененяется водород Н2 в качестве ускоряющей добавки электронов в ксеноне. Одним из преимуществ водорода является его легкий метод очистки от различного рода примесей, в том числе и электроотрицательных (CV, F2″, и т. д.). Одной из оптимальных молекулярных добавок в инертных газах для улучшения транспортных свойств электронов является молекулярный газ — тетрафторид углерода CF4. Главным недостатком тетрафторид углерода CF4, ограничивающий его применение для газовых детекторов является тот факт, что его молекулы разрушаются при столкновении с электронами под действием высоких электрических полей, увеличивая при этом захват электронов электроотрицательными примесями (F2″). Известно, что молекулярный газ — метан является одним из перспективных кандидатов для улучшения временных и координатных свойств время-проекционных детекторов на основе сжатого ксенона, поскольку он обеспечивает скорости дрейфа электронов выше, чем молекулярная добавка водорода.

При приготовлении смеси чистота газа имеет принципиальное влияние как на собирание электронного заряда, так и на сцинтилляцию. Критерием чистоты газа служит время жизни электронов в свободном состоянии, которое должно быть значительно больше времени дрейфа. Наличие электроотрицательных примесей приводит к тому, что заряд, собранный на сигнальном электроде, зависит от места первичной ионизации. Кроме того, сцинтилляционный свет, испускаемый ксеноном в области ультрафиолета (~175нм) имеет значительно высокое сечение поглощения молекулами воды (Ы20) [11,12].

В настоящее время сцинтилляционные и ионизационные процессы в смесях Хе-СН4 малоизучены. В связи с разработкой перспективного на сегодняшний день время проекционного детектора высокого давления на основе смеси Хе-СН* для изучения минераллогического состава планет, возобновляется интерес к исследованию скоростей дрейфа электронов, сцинтилляционных и ионизационных процессов в этих смесях.

Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния примеси метана в широком диапазоне концентраций на скорости дрейфа электронов, сцинтилляционный и ионизационный процессы в газообразном ксеноне высокого давления в зависимости от параметра E/N — отношения напряженности электрического поля (В/см) к количеству атомов (1/см).

Цели и задачи исследования:

Основной целью исследования, представленного в диссертации, является изучение влияния примеси метана в ксеноне как рабочего вещества время-проекционной камеры на скорости дрейфа электронов, ионизационные и сцинтилляционные процессы, в зависимости от параметра E/N, при давлениях 21 и 26 атм. Основной задачей исследования является: Создание установок, состоящих из ионизационных камер, включая вакуумногазовые системы для очистки и смешивания метана с ксеноном. Проведение экспериментов по изучению скоростей дрейфа электронов, сцинтилляционного и ионизационного процессов в смесях Хе-СН4 в широком диапазоне концентраций примеси метана в зависимости от параметра E/N.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые проведены исследования сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях ксенона высокого давления с метаном с помощью ионизационной камеры с перемещающимся катодом. Устройство камеры позволяет поддерживать постоянную напряженность электрического поля на разных расстояниях от катода до анода и дает возможность контролировать чистоту исследуемого газа в процессе проведения эксперимента, чтобы объяснить влияние примесей на поведение сцинтилляционного и ионизационного выходов.

2. Впервые измерен сцинтилляционный выход в смесях ксенона с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 2% метана в зависимости от параметра E/N.

3. Впервые измерен ионизационный выход в смесях ксенона с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 5% и 10% метана в зависимости от параметра E/N.

4. Впервые измерены скорости дрейфа электронов в ксеноне с добавлением 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 10% метана в зависимости от параметра E/N.

5. Впервые измерены времена сцинтилляционного высвечивания медленной компоненты в ксеноне с добавлением 0.05% метана от параметра E/N при давлении 21 атм в зависимости.

6. Впервые метод подобия был применен к экспериментальным результатам по измерениям ионизационных выходов в смеси Хе-СН4 для различных концентраций примеси СН4. Правило подобия позволяет объеденить имеющиеся экспериментальные данные, полученные при различных значениях концентрации метана.

На защиту автор выносит следующие положения:

1. Установку, состоящую из ионизационной камеры с кварцевым окном (КУ-1) и с перемещающимся катодом для измерения сцинтилляционного и ионизационного выходов на различных расстояниях между катодом и анодом, включая вакуумно-газовую систему для очистки метана и приготовления смесей ксенона с метаном.

2. Установку, состоящую из ионизационной камеры с MgF2~0KH0M для измерения сцинтилляционных и ионизационных выходов, включая вакуумно-газовую систему для очистки метана и приготовления смесей Хе.

СН4.

3. Зависимость сцинтилляционных выходов в смесях ксенона в широком диапазоне концентраций примеси метана (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 2%) от параметра E/N.

4. Зависимость ионизационных выходов в смесях ксенона в широком диапазоне концентраций примеси метана (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 5% и 10%) от параметра E/N.

5. Зависимость скоростей дрейфа электронов в смесях ксенона с добавлением примеси СН4 в широком диапазоне концентраций (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 10%) от параметра E/N.

6. Зависимость времен сцинтилляционного высвечивания в смеси ксенона с добавлением 0.05% СН4 от параметра E/N, при давлении 21 атм.

7. Применение метода подобия к экспериментальным результатам по измерению ионизационных выходов в смесях Xe-CFLt в широком диапазоне концентраций примеси СН4. Метод подобия позволяет предсказывать все ионизационные выходы для разных концентраций примеси метана.

Практическая полезность:

Результаты этой работы по изучению скоростей дрейфа электронов, сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях Хе-СН4 в широком диапазоне концентраций примеси метана могут быть использованы для выбора оптимального состава Xe-Cfy газовой смеси с целью достижения наилучших рабочих характеристик (высоких скоростей дрейфа электронов, весь собранный электронный заряд, оптимальный сцинтилляционный выход) время-проекционных детекторов, где сцинтилляционный свет исполняет роль триггера. На основе данных экспериментальных результатов может быть сделана оценка временных и координатных характеристик время-проекционного детектора.

Личный вклад соискателя в проведенные исследования:

Все оборудование для проведения экспериментальных измерений было создано лично автором или при его непосредственном участии. Основные результаты были получены и обработаны лично автором.

Апробация работы:

Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на научной конференции в Японии (Сендай — Сентябрь 2004), на международном симпозиуме IEEE Nuclear Science Symposium (IEEE NSS — Октябрь 16 2004, Рим, Италия) на научной конференции в Японии (Radiation detectors and their uses, KEK Tsukuba, Февраль 2005) на научном международном семинаре (2nd International Workshop on Applications of Rare Gas Xenon to Science and Technology, XeSAT2005, Waseda University, Япония, Март 8−10,2005. на международном симпозиуме IEEE Nuclear Science Symposium (IEEE NSS — Октябрь 29 2006, Сан-Диего, США), на научной конференции МИФИ — 2007.

Публикации:

Диссертационная работа основана на экспериментальных результатах, которые были опубликованы в период с 2004;2007 гг. в российских и зарубежных журналах, материалах международных конференций и симпозиумов, сборниках научных трудов. За это время опубликовано 8 работ.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 121 страница, 48 рисунков и 3 таблицы.

Список литературы

содержит 85 наименований.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе состоят в следующем:

1. Измерены скорости дрейфа электронов в смесях Хе-СН4(0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1%, 10%). Показано, что с ростом концентрации метана в ксеноне скорости дрейфа электронов увеличиваются при больших электрических полях. С ростом электрического поля средняя энергия электронов растет и их сечение рассеяния убывает (эффект Рамзауэра). Приведены скорости дрейфа электронов в смесях Хе+СН4(0.4%) и Хе+СН4(1%) в сравнении со скоростями дрейфа в смесях Хе+Н2(0.46%) и Хе+Н2(1%). Обнаружено, что скорости дрейфа электронов в смеси Хе+СН4(0.4%) превышает скорости дрейфа электронов в смеси.

1П О.

Хе+Н2(0.46%) при величине параметра больше E/N=0.31xl0″ Всм. Скорости дрейфа электронов в смеси Хе+СН4(1%) превышает скорости дрейфа электронов в смеси Хе+Н2(1%) при величине параметра больше.

E/N=0.44x Ю" 17Всм2.

2. Были получены экспериментальные зависимости сцинтилляционных выходов в смесях ксенона с добавлением (0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%), 1% и 2% метана от параметра E/N. Было показано, что сцинтилляционный свет в чистом ксеноне уменьшается с ростом электрического поля, что связано с уменьшением рекомбинационных процессов, имеющих определенный вклад в сцинтилляционный процесс. Сцинтилляционный свет в смесях Хе+СЩ уменьшается по отношению к сцинтилляции в чистом ксеноне с ростом концентрации метана на всем протяжении электрических полей. С ростом концентрации CHL* в ксеноне 0.05%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 1% и 2%, световыход уменьшается по отношению к сцинтилляции в чистом ксеноне на 15%, 32%, 50%, 60%), 77%, 89%, соответственно при величине параметра E/N=0.4xl0″ 17Всм2. При добавлении 5% метана сцинтилляционный свет полностью исчезает. Данный факт связан с процессами тушения атомов и молекул ксенона (димеров) молекулами метана.

3. Было обнаружено, что сцинтилляционный свет в чистом метане совсем не наблюдается, в то время как амплитуда ионизационных сигналов практически не изменяется при увеличении расстояния между катодом и анодом с 1.5 см до 5 см, что свидетельствует об удовлитворительной чистоте газа. Отсутствие сцинтилляционного света в чистом СН4 вероятнее всего связано с тушением радикалов СН, образующихся при взаимодействии ачастиц с метаном, молекулами СН4.

4. Измерены зависимости времен сцинтилляционного высвечивания в чистом ксеноне при его давлении Р=21 атм и в смеси Хе-СН4(0.05%) от параметра E/N. Было показано, что времена высвечивания медленной компоненты в чистом ксеноне уменьшаются с ростом электрического поля.

17 2 до параметра E/N=0.07xl0″ Всм с 200 не до -80−85 не, что соответствует времени высвечивания триплета 3£+и. Это связано с уменьшением объемной рекомбинации. Обнаружено, что в смеси Хе+СН4(0.05%) время высвечивания медленной компоненты особо не изменяется с ростом.

17 2 электрического поля до величины параметра E/N=0.06xl0″ Всм и составляет -160−180 не. Данный факт связан с тем, что электроны в этой.

17 «У смеси становятся „холодными“ в области параметра E/N=(0−0.08)xl0» Всм, т. е. теряют среднюю энергию при столкновениях с молекулами метана и рекомбинируют, обеспечивая тем самым вклад в задержку времен сцинтилляционного высвечивания медленной компоненты.

5. Были измерены ионизационные выходы в смесях Хе-СН4. Показано, что с ростом электрического поля в чистом ксеноне ионизационный выход увеличивается, поскольку электроны вытягиваются с ионизационных треков. При добавлении метана в ксенон, ионизационные выходы уменьшаются на всем протяжении электрических полей и продолжают уменьшаться по отношению к чистому ксенону за счет увеличения рекомбинационных процессов и вероятнее всего захвата электронов какими-то примесями.

6. Приведены суммы сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне и в смесях Хе+СН4(0.05%, 0.2%). Показано, что сумма сцинтилляционного и ионизационного выходов в смеси Хе+СН4(0.05%) имеет рост в области низких электрических полей и при достижении.

17 9 величины параметра E/N=0.15xl0″ Всм не изменяется. Рост суммы в области низких электрических полей вероятнее всего свидетельствует о захвате электронов какими-то примесями в смеси, которые были не заметны в чистом ксеноне и в чистом метане. Сумма сцинтилляционного и ионизационного выходов в смеси Хе+СН4(0.2%) растет на всем протяжении электрических полей, что в результате всего связано с увеличением захвата электронов примесями. Показано, что с увеличением концентрации СН4 в ксеноне сумма сцинтилляционного и ионизационного выходов в смесях Xe+CHt уменьшается по отношению к сумме сцинтилляционного и ионизационного выходов в чистом ксеноне за счет увеличения тушения молекул ксенона молекулами метана.

7. Было применено правило подобия для скоростей дрейфа и ионизационных выходов. Результаты для скоростей дрейфа были объеденены для различных концентраций метана. Экспериментальные данные для ионизационных выходов также были объеденены. Метод подобия позволяет предсказывать все ионизационнае выходы для различных концентраций метана.

Таким образом, данные экспериментальные результаты показали, что Хе-СН4 является перспективной смесью с точки зрения улучшения временных и координатных характеристик время-проекционных камер. Относительно малые добавки метана (0.05%-1%) в ксенон позволяют значительно увеличить скорости дрейфа электронов, обеспечить весь собранный электронный заряд и обеспечить вполне нормальный сцинтилляционный триггер.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.