Determination of argon and xenon absolute electroluminescence yields in Gas Proportional Scintillation Counters

Abstract

Electroluminescence (EL), as the signal amplification method of primary ionisation signal, developed in the 70’s in Gas Proportional Scintillation Counters (GPSC) with noble gas filling, has played an important role in applications to many fields such as X-ray astronomy, plasma physics, medical instrumentation and high-energy physics, up to rising of solid state detectors in the mid 90’s. However, in the last decade EL amplification recovered importance in experiments for rare event detection, such as direct dark matter search and double beta decay. Low count rates and high background imply the need for high signal amplification with statistical fluctuations as low as possible. EL studies are needed for correct detector simulation. While for xenon the literature reported several studies on absolute measurements of EL yield, both experimental and from simulation, yet with disperse results, for argon only one experimental result was reported and its results were ten times lower than the Monte Carlo values from studies performed in our group. The lack of coherent results raised the necessity to study the absolute EL yield in the noble gases xenon and argon thoroughly. In the present work, absolute measurements have been performed for the EL yields of xenon and argon in a uniform electric field GPSC. The obtained results agree with those from Monte Carlo simulation, at room temperature, and with the most recent experimental results measured at cryogenic temperatures reported in the literature, for xenon. We have demonstrated, for the first time that the EL yield, at room temperature, is as high as predicted by the Monte Carlo simulation. Furthermore, studies were performed on the absolute EL yield produced in the strong, variable electric fields of the electron avalanches produced in GEMs and THGEMs. The obtained results have shown that the EL yield values can be more than two orders of magnitude higher than those reached in the commonly used uniform field gaps. This fact can be important if photosensors others than PMTs, with less sensitivity and with area occupancy lower than 100%, are used because of less mass burden and lower radioactivity rates, such as APDs and G-APDs. For the above mentioned studies a simple, straightforward method was used for absolute EL yield measurements, using LAAPDs simultaneously irradiated with EL pulses and X-rays. These X-rays are used as a reference for the absolute determination of the charge carriers produced in the LAAPD by the EL pulses. This technique has been successfully applied, during the last decade, for absolute measurements of primary scintillation yield from organic and inorganic crystals, being suitable for the measurements on EL carried out under the scope of this thesis.

A electroluminescência (EL) em Contadores Gasosos de Cintilação Proporcional (CGCP) com enchimento a gases nobres foi desenvolvida na década de 70 como método de amplificação da ionização primária e desempenhou um papel relevante em aplicações a áreas tão diversas como a astronomia, a física dos plasmas, a instrumentação médica e a física das altas energias. Este protagonismo perdurou até meados da década de 90, época em que surgiram os detectores de estado sólido com qualidade e áreas de detecção melhoradas. A EL reconquistou interesse durante a última década em experiências dedicadas à detecção de eventos raros, como é o caso da procura da matéria negra e do decaimento beta duplo. As baixas taxas de contagem aliadas ao elevado nível de radiação de fundo, característicos destas experiências, definem a necessidade de uma grande amplificação do sinal, associada a baixas flutuações estatísticas, características intrínsecas à amplificação por EL. A correcta simulação de detectores obriga a estudos de EL mais profundos. Na literatura são referidos diversos estudos, tanto experimentais como de simulação, de medições absolutas para o rendimento de EL em xénon, sendo que os resultados apresentavam valores díspares. Para o árgon foi encontrado na literatura um único estudo experimental, cujos valores eram cerca de dez vezes inferiores aos de simulações de Monte Carlo efectuados no nosso grupo. A falta de resultados coerentes suscitou a necessidade de estudar o rendimento absoluto de EL nos gases nobres xénon e árgon. No presente trabalho foram efectuadas medições absolutas para o rendimento de EL em xénon e árgon num CGCP de campo eléctrico uniforme. Os resultados obtidos estão em concordância, tanto com os de simulação de Monte Carlo para a temperatura ambiente como, para o xénon, com os resultados experimentais efectuados a temperaturas criogénicas mencionados na literatura. Mostrou-se, pela primeira vez, que o rendimento de EL à temperatura ambiente é tão elevado como o previsto por simulação de Monte Carlo. Foram igualmente efectuados estudos para o rendimento da EL produzida nos campos eléctricos elevados e variáveis das avalanches de electrões produzidas em GEMs e THGEMs. Os resultados obtidos mostram que estes valores podem ser mais do que duas ordens de grandeza superiores aos obtidos na configuração de campo uniforme. Este facto pode ser importante quando forem utilizados fotosensores que não os PMTs, tais como os APDs ou G-APDs, com menor sensibilidade e/ou uma cobertura em termos de área inferior a 100%, mas que têm níveis de radioactividade menores. Os estudos acima mencionados foram efectuados utilizando um método simples e directo para a medição do rendimento absoluto de EL, com recurso a LAAPDs irradiados em simultâneo com impulsos de EL e raios X. Estes últimos são utilizados como referência para a determinação absoluta dos portadores de carga produzidos no LAAPD pelos impulsos de EL.