Caracterização de misturas de gases nobres com aditivos moleculares para deteção da radiação

Abstract

Desde a sua origem, os detetores gasosos de radiação têm sido alvo de investigação e objeto de inúmeros melhoramentos, revelando-se ferramentas muito úteis nas mais diversas áreas, desde a medicina, investigação científica, proteção territorial, e mais recentemente, deteção de matéria escura, física de partículas e astrofísica. As suas aplicações têm-se diversificado e com elas surgem novos desafios, decorrentes das novas funcionalidades pretendidas. Estas novas aplicações, embora diferentes nos objetivos e na forma e até no modo de operação, têm alguns requisitos em comum. Tanto em física de partículas (altas energias por isso detetores de grandes dimensões e altas pressões), como em astrofísica (raios X de baixa energia, meios de baixa densidade, detetores de pequenas dimensões), uma das exigências é a necessidade de conhecimento da posição da interação – num caso, de modo a possibilitar a rejeição de fundo, no outro caso, para saber a direção de emissão do fotoeletrão.Os gases raros, meios de deteção mais comuns em detetores gasosos, têm características que impedem ou dificultam esta exigência: elevados coeficientes de difusão e baixa velocidade de deriva de eletrões. Uma solução proposta para resolver estes problemas é a adição de gases moleculares. Os gases moleculares são conhecidos por arrefecerem os eletrões já que induzem numerosas pequenas perdas de energia nas colisões inelásticas de limiares baixos, enquanto os gases nobres, atómicos, têm limiares inelásticos muito elevados, levando a (grandes) perdas de energia menos frequentes. No entanto, embora alguns aditivos moleculares sejam bem conhecidos e usados nas aplicações mais comuns, e as consequências da sua utilização estejam bem estabelecidas, nestas novas aplicações as novas funcionalidades exigidas requerem propriedades em que a ação dos gases moleculares não é conhecida. Assim, quer seja com novos aditivos quer nos aditivos tradicionais em propriedades menos utilizadas, a viabilidade tem de ser estabelecida globalmente e não apenas relativamente às novas propriedades requeridas.Para ajudar a dar resposta a esta falta de informação foram projetados e instalados alguns dispositivos experimentais com vista à “Caracterização de Misturas de Gases Nobres com Aditivos Moleculares para Deteção da Radiação”.Este trabalho pode ser dividido em dois grandes grupos:- Desenvolvimento (projeto, construção e testes) de diversos dispositivos experimentais, nomeadamente, um Contador Proporcional (CP), um Contador Gasoso de Cintilação Proporcional (CGCP), uma câmara para estudos de absorção/reemissão de luz ultravioleta de vazio (VUV) e uma câmara para estudos de coeficientes de deriva de eletrões;- Medidas experimentais e análises de resultados utilizando individualmente xénon, trimetilamina (TMA) e gás metano (CH4) e em misturas com diferentes concentrações de TMA em Xe, para estudar: ganho de carga, ganho de luz, cintilação primária, mobilidade de iões positivos, transparência da mistura à luz VUV e difusão de eletrões no gás e ainda, no caso de TMA, estudo das energias de aparecimento dos diversos iões por impacto eletrónico a energias entre 7.5 e 70 eV. Por último, medidas experimentais e análise de resultados da difusão de eletrões em gases.Nesta dissertação descrevem-se as especificações dos dispositivos experimentais desenvolvidos e os resultados obtidos. Estes resultados são um exemplo das possibilidades deste sistema experimental.

Ever since their origin, gaseous radiation detectors have been object of investigation and numerous improvements, proving themselves to be quite useful tools in various fields, such as medicine, scientific investigation, territorial protection, and, more recently, dark matter detection, particle physics, and astrophysics. The areas in which gaseous radiation detectors are useful have become more diverse; thus, newly required functions pose new challenges.These new applications have some common requirements, albeit different in terms of their goals and even their environment and operating conditions. Both in particle physics (high energies require larger detectors and high pressure) and astrophysics (low-energy X-rays, low-density gaseous media, smaller dimension detectors), one of the fundamental requirements is the knowledge of the position of the interaction – in order to allow background rejection in one case, in the other case to find the direction in which the photoelectron is emitted.Noble gases, the most common detection media used in gaseous detectors, have characteristics that prevent or hinder this requirement: high electron diffusion coefficients and low electron drift velocities. A proposed solution to solve these problems is the addition of molecular gases. Molecular gases are known for causing the electrons to cool down, given that they induce numerous small losses of energy on inelastic collisions with low thresholds, while noble gases have a very high inelastic threshold, which lead to less frequent but high amplitude energy losses. However, despite some molecular additives being well known and used on the most common applications – and the consequences of their use well established – the newly required features demand specific characteristics that must be sought for with the usual or new molecular gases. This being said, be it with new or with traditional additives in less frequently used properties, viability has to be established globally and not only in the newly demanded features.To find answers to these questions, many experimental devices were projected and installed with the intent of “Characterizing Mixtures of Noble Gases with Molecular Additives for Radiation Detection”.This project can be divided in two large groups:- Development (project, building, and testing) of various experimental devices, namely a Proportional Counter (PC), a Gas Proportional Scintillation Counter (GPSC), a device to study the absorption/reemission of ultraviolet light (VUV), and an original device to measure the electron drift coefficients;- Experimental measures and result analysis, with xenon, trimethylamine (TMA), either pure or in mixtures with different concentrations of TMA in Xe and gas methane (CH4), to assess: charge gain, light gain, primary scintillation, mobility of positive ions, transparency to UV light, and diffusion parameters of electrons in gases; additionally, in the case of TMA, analysis of the appearance energy and ionization energy of ions by electronic impact at electron energies between 7.5 and 70 eV. Finally, experimental measures and result analysis of the diffusion of electrons in gases.In this dissertation describes the specifications of the experimental devices developed, and the results obtained. These results are an example of the possibilities offered by the whole experimental system.