Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/96379
Title: Studies on secondary scintillation from xenon admixtures with helium
Authors: Fernandes, Andreia Filipa de Moura
Orientador: Monteiro, Cristina Maria Bernardes
Henriques, Carlos Alberto de Oliveira
Keywords: Gas Scintillation Proportional Counter; secondary scintillation; helium; Time Projection Chamber; electron diffusion; Xe scintillation; optical HPXe TPC; Xe additives; Neutrinoless double beta decay; rare event detection; Contador gasoso de cintilação proporcional; hélio; difusão de eletrões; TPC ótica de xénon a alta pressão; decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos; cintilação secundária; Câmara de projeção temporal; cintilação em xénon; aditivos para Xe; deteção de eventos raros
Issue Date: 6-Jul-2021
Project: UID/FIS/04559/2019 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: High Pressure Time Projection Chambers (HP-TPC) based on secondary scintillation, also called electroluminescence (EL) signal amplification are being proposed for rare event detection, such as directional dark matter search, double electron capture and double beta decay detection. In the last few years, the Neutrino Experiment with a Xenon-based TPC (NEXT) has been developing its technology, achieving an energy resolution < 1 % FWHM at the Qββ of the double beta decay of 136Xe, 2458 keV. The good energy resolution, the use of the event topology reconstruction for improved background suppression and the possibility to scale up to larger masses are the main strengths for the success of this experiment. The discrimination of the rare event through its topological signature of primary ionisation trails is a major asset for this type of TPC when compared to liquid or double phase TPCs. However, it is limited mainly by the high electron diffusion in pure xenon. In order to overcome this limitation, some studies have been performed with the addition of sub-percent concentrations of molecular species to xenon in order to reduce the electron diffusion. From the studied species, CH4appears to be a good candidate, since it allows to achieve a good energy resolution, as well as a good electron cooling efficiency. Nevertheless, the continuity of studies with additives to be used with xenon, to decrease the electron diffusion, has a primordial importance for this experiment. Recently, simulation studies have shown that helium can also be apotential candidate for reducing the electron diffusion in xenon-based mixtures. Therefore, the use of helium as an additive to pure xenon has been assessed, since its characteristics as a noble gas are a major advantage, e.g. in terms of gas purification and, in opposition to xenon admixtures with molecular additives, where the high quenching of xenon excited states and dissociative electron attachment induced by some molecular species will not occur in helium. Therefore, the EL output of xenon-helium mixtures is expected to be similar as that of pure xenon. Thus, the helium admixtures with xenon might be an attractive solution to significantly reduce the electron diffusion and improve the discrimination efficiency of these optical TPCs. Experimental studies of the impact of helium addition to xenon on the gas EL yield and on the respective EL statistical fluctuations have not yet been carried out, being, thus, of great importance to investigate these issues. In this work, the electroluminescence yield of Xe-He mixtures in the range of 0 to 30% helium is investigated. The impact of helium addition on the gas EL output is demonstrated to be small and its impact on the EL statistical fluctuations has been found to be negligible, within the experimental uncertainties. The EL yield is reduced by ~2%, 3%, 6% and 10% for 10%, 15%, 20% and30% of helium concentration, respectively, for a typical reduced electric fieldof 2.5 kV/cm/bar in the scintillation region. This decrease is lower than had been anticipated by the most recent simulation data presented in the literature. Furthermore, it was demonstrated that the energy resolution remains unchanged, relative to that obtained in pure xenon. Nevertheless, there is a disadvantage with the TPC operation at higher pressures having 10-20 % helium concentrations, because the amount of xenon available as source of neutrinoless double beta decay will be reduced, in contrast to the addition of sub-percent levels of molecular additives, where the amount of xenon remains the same, an issue that will also be discussed in the present work. The present PhD project will have impact on the choice of the NEXT-100 detector technology and, in addition, its relevance goes beyond NEXT, being of relevance to any HPXe optical TPC where the reduction of electron diffusion is of significant importance. Moreover, the present results are a main benchmark for the simulation tools to be applied to future optical TPCs based on Xe-He mixtures.
RESUMO: As câmaras de projeção temporal de alta pressão (HP-TPC) baseadas em cintilação secundária, também chamada de sinal de amplificação por eletroluminescência (EL) têm sido propostas para deteção de eventos raros, tais como pesquisas sobre matéria negra direcional, decaimento por dupla captura de eletrões, e deteção do decaimento beta duplo. Nos últimos anos, a colaboração NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) tem vindo a desenvolver a sua tecnologia baseada num HP-TPC, tendo já atingido uma resolução em energia < 1 % FWHM para a energia, Qbb, do decaimento beta duplo do 136Xe, 2458 keV. A boa resolução em energia, a utilização da reconstrução topológica dos eventos para uma supressão de fundo e a possibilidade de escalar para grandes massas são os principais pontos fortes para o sucesso desta experiência. A discriminação dos eventos raros através da sua assinatura topológica do rasto da ionização primária é um grande trunfo para este tipo de TPC, quando comparado com TPCs de fase líquida ou dupla. Contudo, esta discriminação está limitada principalmente pela elevada difusão de eletrões em xénon puro. De forma a ultrapassar esta limitação, têm sido realizados alguns estudos com adição ao xénon de espécies moleculares com concentrações sub-percentuais, de forma a reduzir a difusão de eletrões. Das espécies moleculares estudadas, o CH4 parece ser um bom candidato, uma vez que permite a obtenção de uma boa resolução em energia, assim como uma boa eficiência no arrefecimento dos eletrões. Não obstante, a continuação dos estudos com aditivos a ser usados com xénon para reduzir a difusão de eletrões tem uma importância primordial para esta experiência. Recentemente, estudos de simulação têm mostrado que o hélio pode ser um potencial candidato para reduzir a difusão de eletrões em misturas baseadas em xénon. Portanto, a utilização do hélio como aditivo ao xénon puro tem vindo a ser avaliada, já que as suas características como gás nobre são uma grande vantagem, e.g. em termos de purificação do gás, e em oposição às misturas de xénon com aditivos moleculares, onde os efeitos de inibição dos estados excitados de xénon e perda de eletrões induzidos por espécies moleculares não vão ocorrer em hélio. Portanto, é expectável que o resultado de eletroluminescência das misturas de xénon-hélio seja semelhante ao do xénon puro. Por conseguinte, as misturas de hélio com xénon podem ser uma solução atrativa para reduzir significativamente a difusão de eletrões e melhorar a eficiência de discriminação destas TPCs óticas. Estudos experimentais do impacto da adição de hélio ao xénon no rendimento de eletroluminescência do gás e nas respetivas flutuações estatísticas da eletroluminescência ainda não foram realizados, sendo, desta maneira, de grande importância para a investigação destas questões. Neste trabalho, o rendimento de eletroluminescência de misturas de Xe-He é investigado para hélio em quantidades de 0 a 30 %. É demonstrado que o impacto da adição de hélio no resultado da eletroluminescência no gás é pequeno e o seu impacto nas flutuações estatísticas de eletroluminescência foi igualmente demonstrado ser insignificante, dentro das incertezas experimentais. O rendimento de eletroluminescência é reduzido em ~2%, 3%, 6% e 10% para concentrações de hélio de 10%, 15%, 20% e 30%, respetivamente, e para um campo elétrico reduzido típico de 2.5 kV/cm/bar na região de cintilação. Esta diminuição é menor do que tinha sido antecipado pelos dados mais recentes de simulações apresentados na literatura. Além disso, ficou demonstrado que a resolução em energia se mantém inalterada, relativamente àquela obtida em xénon puro. Não obstante, existe uma desvantagem com a operação de uma HP-TPC contendo hélio em concentrações de 10-20 %, porque a quantidade de xénon disponível como fonte do decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos vai ser menor, em contraste com a adição a nível sub-percentual de aditivos moleculares, onde a quantidade de xénon se mantém igual, um problema que também será discutido no presente trabalho. O presente projeto de doutoramento terá impacto na escolha da tecnologia do detetor NEXT-100 e, além disso, a sua relevância vai além do NEXT, sendo de relevância para qualquer TPC ótico de xénon de alta pressão, onde a redução da difusão de eletrões tem uma importância significativa. Além disso, os presentes resultados são uma marca de referência importante para ferramentas de simulação a ser aplicadas em futuras TPCs óticas baseadas em misturas de Xe-He.
Description: PhD thesis in Physics Engineering, in the field of Instrumentation, performed under scientific guidance of Doutora Cristina Maria Bernardes Monteiro and Doutor Carlos Alberto de Oliveira Henriques, presented to the Physics Department of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/96379
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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