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Title: Detetores gasosos de radiação : efeitos da retrodifusão na emissão de fotoeletrões por fotocátodos de Csl em meio gasoso e eletroluminescência em Xe dopado com CH₄ e CF₄
Authors: Escada, José Manuel Dias 
Orientador: Dias, Teresa Maria da Mota Horta e Vale Teixeira
Lopes, José António Matias
Keywords: Detectores de radiação
Issue Date: 2012
Citation: ESCADA, José Manuel Dias - Detetores gasosos de radiação : efeitos da retrodifusão na emissão de fotoeletrões por fotocátodos de Csl em meio gasoso e eletroluminescência em Xe dopado com CH₄ e CF₄. Coimbra : [s.n.], 2012. Tese de doutoramento
Abstract: Neste trabalho investiga-se a extração de fotoeletrões emitidos por fotocátodos de CsI em meio gasoso, quando o fotocátodo é irradiado por radiação VUV, e o efeito da dopagem de Xe com CH4 ou CF4 na eletroluminescência. A deriva dos eletrões nos meios gasosos é investigada por simulação de Monte Carlo, permitindo obter e discutir em detalhe os resultados para a eficiência de extração f e para o rendimento de eletroluminescência H. A extração de fotoeletrões é também investigada experimentalmente, permitindo confirmar os comportamentos previstos por simulação para f. Para validar o modelo de Monte Carlo e as secções eficazes de difusão de eletrões usadas nas simulações, são calculados parâmetros de deriva de eletrões nos meios gasosos, que são analisados e comparados com dados experimentais da literatura. A eficiência de extração f é determinada nos gases moleculares CH4, CF4, CO2 e N2 e suas misturas binárias com os gases nobres Xe, Ar e Ne, sendo calculada por simulação para fotões absorvidos monocromáticos com energias Eph na gama 6.7-9.8 eV e medidos experimentalmente para fotões VUV de uma lâmpada de Hg(Ar) de distribuição espetral (gaussiana) centrada em Eph = 6.7 eV, considerando os campos elétricos reduzidos E/N na gama 0.1-40 Td. Exceto para N2 e Ne-N2, meios não examinados por simulação, os resultados experimentais de f são comparados com resultados de Monte Carlo, verificando-se em geral bom acordo. A dependência de f com E/N, composição da mistura e Eph é analisada. Mostra-se que geralmente f aumenta com E/N, gradualmente nos gases nobres e de um modo repentino a baixo E/N nos gases moleculares e misturas. A eficiência f diminui com Eph, exceto em algumas gamas restritas a baixos E/N. Verifica-se que fCH4 e fCF4 são consideravelmente superiores a f nos gases nobres e que fCO2 é inferior a fCH4 e a fCF4 a menores Eph mas é idêntico para maiores Eph. A adição de um dos gases moleculares CH4, CF4 ou CO2 a um dos gases nobres Xe, Ar ou Ne, ainda que em pequenas concentrações, permite aumentar f significativamente, por vezes com f nas misturas a ultrapassar f nos gases moleculares puros. Por outro lado, verificou-se experimentalmente (para Eph ~ 6.7 eV) que fN2 é menor do que f nos outros gases investigados e que nenhum benefício em f é obtido adicionando N2 a Ne. A extração de fotoeletrões depende do campo elétrico E/N que guia os eletrões e da energia de emissão 0 dos fotoeletrões (que cresce com Eph), dois fatores independentes do meio gasoso. A eficiência f tende a diminuir com 0, porque os fotoeletrões têm de perder mais energia até o retorno ao fotocátodo se tornar energeticamente proibido. A dependência da extração dos fotoeletrões com o meio gasoso é explicada através da correlação de f com a penetração inicial  no gás, relacionada com a secção eficaz total de difusão, e com a eficácia de perda de energia dos fotoeletrões no gás, relacionada com a competição entre os processos elásticos e inelásticos no gás. A extração dos fotoeletrões é favorecida por uma penetração inicial  longa e pela redução rápida da energia dos fotoeletrões em colisões inelásticas. As simulações mostram que a ocorrência de colisões inelásticas a baixa energia nas primeiras colisões desempenha um papel decisivo no aumento de f, como acontece com as excitações vibracionais em CH4, CF4 e CO2 e nas suas misturas com Xe, Ar e Ne, que competem eficientemente com a difusão elástica. Em contraste, nos gases nobres as colisões inelásticas são pouco frequentes para as gamas de E/N e Eph investigadas, porque os seus limiares são apenas atingidos a maiores E/N e após numerosas colisões elásticas. Neste trabalho é também investigada a viabilidade da dopagem de Xe com CH4 ou CF4 em detetores gasosos em que a amplificação é conseguida através da produção de eletroluminescência em regime sem multiplicação de carga. A adição de gases moleculares a Xe aumenta a velocidade de deriva e reduz a difusão dos eletrões, um efeito que é desejável em detetores de grandes dimensões onde os eletrões primários derivam longas distâncias na região de absorção/deriva. No entanto, é necessário encontrar um compromisso, pois a presença das moléculas deteriora a resolução em energia, porque reduz o rendimento de eletroluminescência H e aumenta as flutuações associadas. Estes efeitos são devidos à introdução não só de colisões dos eletrões com excitação vibracional das moléculas e captura de eletrão por moléculas, como também a processos alternativos de desativação dos estados excitados de Xe em colisões a 2 ou 3 corpos envolvendo moléculas, processos que inibem a formação dos excímeros de Xe que são as espécies emissoras da cintilação. No caso de CF4, a redução de H e o aumento das flutuações são muito pronunciados devido ao efeito muito significativo da captura de eletrões, afastando CF4 como aditivo aceitável. No entanto, a adição de CH4 afeta H e as suas flutuações em muito menor extensão, indicando os cálculos que a adição de CH4 em concentrações menores do que ~1% pode ser uma escolha apropriada.
This work investigates the photoelectron extraction from CsI photocathodes into gaseous medium, when CsI is irradiated by VUV photons, and the effect that doping Xe with CH4 or CF4 in particular will cause on the electroluminescence. The electron drift in the gaseous media is investigated by Monte Carlo simulation, allowing to obtain and to discuss in detail the results for the extraction efficiency f and electroluminescence yield H. The photoelectron extraction is also investigated experimentally, allowing confirmation of the behaviors predicted by simulation for f. To validate the Monte Carlo model and electron scattering cross-sections used in the simulations, electron drift parameters in the gaseous media are also calculated, which are analyzed and compared with available published experimental data. The extraction efficiency f is obtained for the molecular gases CH4, CF4, CO2 and N2 and their binary mixtures with the noble gases Xe, Ar and Ne. It is calculated by simulation for absorbed monochromatic photons with energies Eph in the range 6.7-9.8 eV and is measured experimentally for photons from a continuous VUV Hg(Ar) lamp with a spectral distribution peaked at Eph = 6.7 eV, considering reduced electric fields E/N in the 0.1-40 Td range. Except for pure N2 and the Ne-N2 mixtures, not examined by simulation, the f experimental results are compared with Monte Carlo results and a good agreement is found in general. The dependence of f on E/N, mixture composition and Eph is analyzed. It is showed that f increases in general with E/N, rising gradually in a noble gas and more quickly at lower E/N in the molecular gases and mixtures. The efficiency f decreases with Eph, except in some restricted ranges at low E/N. It is verified that fCH4 and fCF4 are considerably higher than f in noble gases and that fCO2 is lower than fCH4 and fCF4 at lower Eph but reaches identical levels at higher Eph. The addition of one of the molecular gases CH4, CF4 or CO2 to the noble gases Xe, Ar or Ne, even in low concentrations, may significantly increase f, sometimes with f in the mixtures rising above f in the pure molecular gas. On the other hand, it was verified experimentally (for Eph ~ 6.7 eV) that fN2 is lower than f in any of the other gases under investigation and that f is not improved by the addition of N2 to Ne. The photoelectron extraction is dependent on the guiding electric field E/N and on the photoelectron emission energy 0 (which increases with Eph), two factors independent of the gas medium. The efficiency f tends to decrease with 0, because the photoelectrons must lose more energy before the return to the photocathode becomes energetically forbidden. The dependence of the photoelectron extraction on the gas medium is explained by the correlation of f with the initial penetration  into the gas, which is related to the electron total scattering cross-section, and with the efficiency of photoelectron energy loss in the gas, related to the competition between elastic and inelastic processes in the gas. The photoelectron extraction is favored by longer  and by a swift drop in photoelectron energy in inelastic collisions. The simulations show that the occurrence of inelastic collisions at low energy in the first collisions plays a decisive role in the improvement of f, namely vibrational excitation collisions in CH4, CF4 and CO2 and in their mixtures with Xe, Ar and Ne, which compete efficiently with elastic scattering. In contrast, in noble gases the inelastic collisions are only sporadic over the ranges of E/N and Eph investigated, because their thresholds are only reached at higher E/N and after numerous elastic collisions. This work also investigates the viability of doping Xe with CH4 or CF4 in gaseous detectors where amplification is achieved through the production of electroluminescence under a charge- -multiplication free regime. The addition of the molecular gases to Xe increases the drift velocity and reduces the diffusion of the electrons, a desirable effect in large size detectors where primary electrons drift across a long absorption/drift region. However, a compromise must be found, since the presence of the molecules deteriorates the energy resolution by reducing the electroluminescence yield H and increasing its fluctuations. These effects are due to electron collisions with vibrational excitation of the molecules and to electron attachment by the molecules, as well as to the deactivation of Xe excited states by alternative processes involving 2- or 3-body collisions with the molecules, processes which quench the formation of the Xe excimers which are the scintillation emitting species. In the case of CF4, the reduction of H and the increase of its fluctuations are very strong due to the very significant effect of electron attachment, ruling out CF4 as an acceptable additive. However, the addition of CH4 affects H and its fluctuations to a much lower extent, and the calculations indicate that the addition of CH4 in concentrations lower than ~1% may be an appropriate choice.
Description: Tese de doutoramento em Física (Física Tecnológica) apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/23601
Rights: openAccess
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