Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/14202
Title: Study of the reflectance distributions of fluoropolymers and other rough surfaces with interest to scintillation detectors
Authors: Silva, Cláudio Frederico Pascoal da 
Orientador: Cunha, José Pinto da
Keywords: Xénon; Politetnafluoroetileno
Issue Date: 13-Oct-2010
Citation: Silva, Cláudio Frederico Pascoal da - Study of the reflectance distributions of fluoropolymers and other rough surfaces with interest to scintillation detectors. Coimbra, 2009
Abstract: Gaseous and liquid xenon particle detectors are being used in a number of applications including dark matter search and neutrino-less double beta decay experiments. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is often used in these detectors both as an electrical insulator and as a light reflector to improve the efficiency of detection of scintillation photons. However, xenon emits in the vacuum ultraviolet (VUV) wavelength region (λ ≃175 nm) where the reflecting properties of PTFE are not sufficiently known. In this work we report on extensive measurements of PTFE reflectance, including its angular distribution, for the xenon scintillation light. Various samples of PTFE, manufactured by different processes (extruded, expanded, skived and pressed) have been studied. The data were interpreted with a physical model comprising three components: a specular spike, a specular lobe and a diffuse lobe. The model was successfully applied to describe the reflectance of xenon scintillation light (λ = 175 nm) by PTFE and other fluoropolymers. The measured data favours a Trowbridge-Reitz distribution function of ellipsoidalmicro-surfaces. The intensity of the coherent reflection increases with increasing angles of incidence, as expected, since the surface appears smoother at grazing angles. The relative intensity of the specular spike was found to follow a law exp (−K cos θi) where θi is the angle of incidence and K is a constant proportional to the roughness of the surface. This simulation describes fairly well the observed reflectance of the PTFE and other polymers for the entire range of angles. The reflectance distributions were integrated to obtain the hemispherical reflectances. At normal incidence the hemispherical reflectance of PTFE in vacuum is between 47% and 75% depending of the manufacturing process and surface finishing. The reflectance model was implemented and coded as a class of Geant4. This new class was used to describe the reflectance processes in a liquid xenon chamber. The reflectance of the PTFE in the liquid will be larger than in the gas. In this case the reflectance is estimated to be between 76% and 90%.
Os detectores de xenon, gasoso e líquido, são utilizados em diversas experiências no domínio da detecção de eventos raros, particularmente em experiências de procura de matéria negra, experiências de decaimento duplo de radiação beta. O politetrafluoroetileno (PTFE) é usualmente escolhido como isolador eléctrico e reflector melhorando a eficiência de detecção da cintilação do xénon. No entanto, o xénon cintila na região do ultravioleta do vácuo, nessa região do espectro electromagnético as propriedades reflectoras do PTFE não são suficientemente bem conhecidas. Neste trabalho é medida a distribuição angular do PTFE para a luz de cintilação do xénon. Diferentes amostras de PTFE produzidas de modo distinto foram estudadas. O estudo também incluiu os copolímeros ETFE, FEP e PFA, na eventualidade de poderem ser usados como substituto do PTFE. Os dados são descritos por um modelo físico composto por três componentes distintas, lobo especular, lobo difuso e pico especular. Os dados observados indicam uma distribuição das microfaces baseada no modelo de Trowbridge-Reitz. Este modelo assume que a superfície pode ser descrita por uma distribuição de alturas dada por um elipsoide de revolução. A intensidade do pico especular cresce, como esperado com o ângulo de incidência. Assim a superfície parece mais espelhada para direcções de visionamento afastadas da normal da superfície. O modelo for introduzido no Geant4 podendo ser utilizado em simulações e análise de dados dos detectores de cintilação. A reflectância obtida para o PTFE situa-se entre 47% e 75% para a luz de cintilação do xénon. No entanto este valor é baixo quando comparado com a reflectância no visível. Por isso realizaram-se medidas no visível que mostraram que a reflectância cresce no visível para os níveis esperados. Numa câmara de xénon líquido a reflectância observada é maior sendo estimada entre 76% e 90%.
Description: Tese de doutoramento em Física (Física Experimental), apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/14202
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Física - Teses de Doutoramento

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