Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/92234
Title: Negative ion mobility measurement in gases of interest for NITPCs
Other Titles: Medição da mobilidade de iões negativos em gases de interesse para NITPCs
Authors: Marques, David José Gaspar
Orientador: Cortez, André
Soares, Filipa Isabel Gouveia de Melo Borges Belo
Keywords: Detetores Gasosos; Deriva de iões negativos; Câmara de Projeção Temporal de Iões Negativos; Mobilidade de Iões; Câmara de Deriva de Iões de Dupla-Polaridade; Gaseous Detectors; Negative Ion Drift; Negative Ion Time Projection Chamber; Ion Mobility; Dual-Polarity Ion Drift Chamber
Issue Date: 26-Oct-2020
Serial title, monograph or event: Negative ion mobility measurement in gases of interest for NITPCs
Place of publication or event: DF
Abstract: Detetores gasosos são usados em diversas áreas desde física de altas energias até buscas de eventos raros devido às suas grandes capacidades de identificação e tracking de partículas. Para melhorar estas capacidades, vários esforços têm vindo a ser realizados para melhorar ou desenvolver novos sistemas de amplificação e leitura sensíveis à posição. Em detetores gasosos que recorrem à deriva de eletrões para fazer track e medir a energia de partículas ionizantes, uma das maiores restrições é a difusão dos eletrões. Isto é especialmente relevante em detetores gasosos de grande volume. Para ultrapassar esta limitação, as Câmaras de Projeção Temporal de Iões Negativos (em inglês, Negative Ion Time Projection Chambers, NITPCs) foram desenvolvidas. Em vez de fazerem uso de eletrões, estes detetores usam iões negativos como portadores de carga, explorando a sua menor difusão, comparando com a dos eletrões. Com a recente descoberta de portadores de carga minoritários, é esperado que nestas câmaras seja possível determinar a posição absoluta do evento ionizante ao longo da direção de deriva, analisando as diferenças no tempo de deriva das várias espécies de iões minoritários criados a partir do mesmo gás eletronegativo. Para apoiar o desenvolvimento de NITPCs, uma nova câmara capaz de medir a mobilidade de iões positivos e negativos foi desenvolvida no LIP: a Câmara de Deriva de Iões de Dupla-Polaridade (em inglês, Dual-Polarity Ion Drift Chamber, DP-IDC). A DP-IDC é uma câmara de deriva de iões que inclui um multiplicador de eletrões gasoso (em inglês, Gas Electron Multiplier, GEM) com um depósito de CsI (Iodeto de Césio) no centro da câmara, duas grelhas duplas em cada extremidade e um conjunto de anéis de campo elétrico que criam um campo elétrico uniforme em toda a região de deriva. O GEM, neste sistema, tem um ganho muito baixo pois o seu objetivo principal é apenas criar iões enquanto os eletrões atravessam os seus orifícios. Com uma lâmpada UV no topo, é possível produzir fotoeletrões junto do GEM quando o fotocátodo de CsI (depositado no elétrodo superior do GEM) sofre o impacto dos fotões UV, criando também o ponto temporal inicial da medição (trigger). Sabendo a distância de deriva e depois de analisar os espetros dos tempos de chegada, é possível determinar a velocidade dos iões e calcular a sua mobilidade reduzida para diferentes gases, pressões, temperaturas, entre outros parâmetros. O primeiro protótipo da DP-IDC mostrou algumas limitações importantes. Por esse motivo, para melhorar este detetor, várias modificações foram implementadas, nomeadamente o desenvolvimento de um novo componente central capaz de suportar o GEM e assegurar a uniformidade do campo elétrico em toda a região de deriva. Após esta modificação, a câmara foi testada através de vários estudos preliminares. Estes permitiram uma melhor compreensão da influência de diferentes variáveis no espetro de deriva. Estes estudos focaram-se na influência da pressão e na presença de aglomerados (clusters) de iões e impurezas do gás nas mobilidades obtidas. Para além destes tópicos, a influência do campo elétrico nos orifícios do GEM também foi cuidadosamente estudada. Provou-se que a diferença de potencial aplicada no GEM afeta fortemente o tipo de iões criados dentro da câmara. Outros estudos focados em, por exemplo, o sinal induzido pela lâmpada foram também realizados para que fosse possível compreender melhor o processo de formação de sinal com este sistema. Nesta tese, são apresentados os resultados obtidos com SF6 puro e misturas baseadas em SF6. Escolheu-se SF6 pois este é assumido como sendo um forte candidato para as próximas gerações de NITPCs. A preferência por SF6 vem do facto de que é esperada a presença de duas espécies distintas de iões (SF6- e SF5-) o que permite a determinação da posição z absoluta de um evento ionizante em NITPCs. Nesta dissertação, a mobilidade de iões de SF6 (SF6-, SF5- e, possivelmente, SF4-) foi medida para diferentes pressões (até 30 Torr) e para diferentes campo elétricos reduzidos (até 40 Td). As mobilidades obtidas mostraram-se em acordo com a informação publicada. Estudos similares com SF6-CF4 e SF6-N2 também foram realizados onde as mobilidades obtidas também se encontraram dentro do esperado, comparando tanto com a literatura disponível como com os valores teóricos obtidos com a lei de Blanc. A identificação de diferentes espécies de iões criados e o rácio entre eles, para cada conjunto de parâmetros, mostrou-se possível de realizar com a DP-IDC, usando SF6. Isto trata-se de uma característica fundamental para o desenvolvimento de detetores de deriva de iões negativos (tais como as NITPCs). Além disso, a verificação da boa performance da DP-IDC vai permitir que estudos ligados à deriva de iões negativos em diferentes misturas gasosas e diferentes condições de pressão e campo elétrico reduzido possam ser realizados, tão bem como estudos focados na difusão de iões.
Gaseous detectors are widely used in many fields ranging from high energy physics to rare-event searches due to their high tracking and particle identification capabilities. To further improve these features, several efforts are being carried in order to improve or develop new position-sensitive electron amplification and readout systems. In gaseous detectors that resort to electron drift to track and measure the energy of ionizing particles, one of the biggest constraints is the electron diffusion. This is especially relevant in large volume gas radiation detectors. To surpass such limitation, Negative Ion Time Projection Chambers (NITPCs) were developed. Instead of making use of electrons, these detectors explore negative ions as charge carriers, exploiting their much smaller diffusion, when compared to electrons. With the recent discovery of minority charge carriers, these chambers are also expected to be able to determine the absolute position of the ionizing event along the drift direction by analysing the drift time differences between the several minority ion species created from the same electronegative gas. To support the development of NITPCs, a new chamber capable of measuring the ion mobility of both positive and negative ions was developed at LIP: the Dual-Polarity Ion Drift Chamber (DP-IDC). The DP-IDC is an ion drift chamber that includes a Gas Electron Multiplier (GEM) with a CsI deposit in the middle of the chamber, two double grids in each endcap and a series of electric field rings that create a uniform electric field throughout the drift region. The GEM, in this setup, has a very low gain as its main objective is to create ions while the electrons drift through its holes. With a UV-lamp on the top, it is possible to produce photoelectrons near the GEM when the CsI photocathode (deposited on the top electrode of the GEM) is hit by the UV photons, while also providing a trigger for the measurement. Knowing the drift distance and after analysing the time of arrival spectra, it is possible to determine the ions’ velocity and to calculate their reduced mobility for different gases, pressures, temperatures, amongst other parameters. The first prototype of the DP-IDC has shown several important limitations. Thus, to improve this detector, several modifications were implemented, namely the development of a new central component capable of both supporting/holding the GEM and ensuring a uniform electric field through the whole drift region. After this modification, the chamber was tested with several preliminary studies. These allowed to better understand the influence of different variables in the drift spectra. Such studies were focused on the influence of the pressure and the presence of ion clusters and gas impurities on the mobilities obtained. Together with these, the influence of the electric field in the GEM's holes was also carefully studied. The voltage applied on the GEM proved to strongly affect the type of ions created within the chamber. Other studies concerning, for instance, the lamp induced signal were also carried to better understand the signal formation with this experimental setup. In this work, the results obtained with pure SF6 and SF6 based mixtures are presented. SF6 was chosen as it is assumed to be a strong candidate for the next generation of NITPCs. The preference for SF6 relies on the fact that two distinct ion species are expected to be present (SF6- and SF5-) allowing therefore for the determination of the absolute z position of an ionization event in NITPCs. The mobility of SF6 ions (SF6-, SF5- and, possibly, SF4-) have been measured in this work for different pressures (up to 30 Torr) and different reduced electric fields (up to 40 Td). The mobilities obtained have shown to be in accordance with most of the published data. Similar studies with SF6-CF4 and SF6-N2 were also carried and the mobilities obtained are also within the expected, both comparing with the literature and theoretical values retrieved from Blanc's law. The identification of the different ion species created for each set of parameters as well as the ratio among themselves has proven to be attainable with the DP-IDC using SF6. This is a key feature for the development of negative ion drift detectors (such as NITPCs). Moreover, by verifying the initial great performance of the DP-IDC, further studies can be carried regarding negative ion drift in different gas mixtures and different conditions of pressure and reduced electric field as well as studies concerning ion diffusion and the presence of ion clusters.
Description: Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Física apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/92234
Rights: openAccess
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