Diffuse Reflectance Studies in a Liquid Interface — with application to Noble Liquid Detectors

Abstract

Os detectores de xénon e argon líquidos são utilizados em física de partículas e astropartículas, nomeadamente em experiências de detecção directa de matéria escura e física de neutrinos. Normalmente, politetrafluoretileno (PTFE) é utilizado como reflector nestes detectores de forma a melhorar a colecção de luz e, consequentemente, a sensibilidade da experiência em questão. Desta forma, descrever a reflectância das superfícies que envolvem o detector é fundamental. Para o comprimento de onda de cintilação do xénon (175 nm), sabe-se que o PTFE tem uma reflectância entre 50-80%. No entanto, em xénon líquido, a reflectância observada é acima de 95%. A razão para um aumento tão demarcado da reflectância não é clara.Adicionalmente, regra geral, as simulações de óptica de detectores de líquidos nobres simulam a reflectância do PTFE de acordo com a lei difusa de Lambert. No entanto, observações indicam que difusores como o PTFE e, outros, têm um comportamento diferente do Lambertiano. Na verdade, está sempre presente uma componente de refracção especular devido à alteração do índice de refracção no interface. A rugosidade da superfície também contribui para esta diferença devido a efeitos de obscurecimento, sombreamento e inter-reflexões. Finalmente, há que também ter em conta o fenómeno de reflexão interna total no interface óptico.Neste trabalho, é reportado um estudo experimental da reflectância no interface líquido-PTFE. Para o efeito, foi concebido e desenvolvido um set-up experimental dedicado para medir a alteração na reflectância quando o interface muda de ar para líquido. Uma esfera integradora de Spectralon, (á base de PTFE) foi adaptada para uso com líquidos. O set-up também incluí uma matriz de 7 LEDs nos comprimentos de onda 255-490, um fotomltiplicador para detector os fotões reflectidos e um sistema de aquisição de dados resolvido no tempo. Medidas da reflectância da superfície interna da esfera foram feitas, à vez, com a esfera cheia de ar e àgua pura. Os dados experimentais foram comparados com os resultados da simulação de colecção de luz para a geometria da experiência com o programa de simulação ANTS2. Nessas simulações diferentes modelos de reflexão difusa foram testados, nomeadamente o modelo Lambertiano e uma versão modificada do modelo de Wolff, que inclui reflexão de Fresnel no interface.A análise com o modelo de Lambert indica um claro aumento da reflectância bi-hemisférica no interface de àgua pura, +2.94±0.03% a 255 nm e +1.09±0.08% a 490 nm. O aumento no albedo de espalhamento multíplo com o modelo modificado de Wolff, que é independente do interface óptico, sugere que o aumento da reflectância no interface líquido se poderá dever a outros parâmetros para além do índice de refracção. Com base nos desenvolvimentos deste trabalho um conjunto de melhoramentos ao set-u} foram planeados, após os quais mais medidas com vários líquidos e amostras de vários materias se seguirão.

Noble liquid xenon and argon detectors are being used in particle and astroparticle physics, including dark matter direct detection experiments and neutrino physics. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is commonly used in these detectors as a reflector to improve the light collection and, consequently, the experiment sensitivity. As such, describing the reflectance from the surfaces encasing a detector is paramount. For the xenon scintillation wavelength (175 nm), PTFE is known to have a reflectance of 50-80% in gaseous xenon. In liquid xenon, however, it has been observed to be >95%. The reason for such an increase in reflectance is still unclear. Additionally, optical simulations of noble liquid detectors generally model the reflectance of PTFE according to the Lambert diffuse law. Observations indicate, however, that reflection from diffusers like PTFE and others most often deviates significantly from Lambertian behaviour. In truth, a fraction of specular reflection is always present due to the change in refractive index at the interface. Surface roughness also contributes to this deviation, due to masking, shadowing and interreflection effects. Finally, there is also total internal reflection at the optical interface to take into account. In this work, we report on an experimental study of reflectance in a liquid-PTFE interface. A dedicated experimental set-up was designed, from inception to completion, to measure the change in the reflectance when the medium interfacing PTFE changes from air to liquid. To that end, a Spectralon (PTFE-based) total integrating sphere was adapted for use with liquid. The set-up also includes an array of 7 LEDs covering the wavelength range 255--490~nm, a photomultiplier to detect the reflected photons, and a time resolved data acquisition system. Experimental data for the reflectance of the sphere walls was taken with the sphere filled in turn with air and pure water. The experimental data was compared with the results of simulations of light collection in the geometry of the experimental set-up with the help of the ANTS2 software package. In those simulations, different models of diffuse reflection were tested, namely the Lambertian model and a modified version of the Wolff model, which includes the Fresnel reflection at the interface. Analysis with the Lambertian model indicates a clear increase in the bi-hemispherical reflectance in the pure water interface, +2.94$±0.03% at 255 nm and +1.09±0.08% at 490 nm. The increase in the multiple scattering albedo in the modified Wolff, which is independent of the optical interface, suggests that the enhancement of reflection in the liquid interface may be due to other parameters besides the changing refractive index. Based on the developments made in the course of this work, the upgrade of the set-up is planned, after which it will be used to take more measurements with various liquids and material samples, following up on the initial results of this work.