Experimental measurement of the electroluminescence yield of pure xenon and mixtures of xenon with percentage quantities of CH4

Abstract

A Eletroluminescência (EL), como método de amplificação de sinal da ionização primária produzida em gases nobres, em contadores gasosos de cintilação proporcional (CGCP), desenvolvidos na década de 1970, tem desempenhado um papel importante em aplicações a diversas áreas, tais como astronomia, física dos plasmas e física das altas energias, até meados dos anos 1990 com a evolução dos detetores de estado sólido. No entanto, nos últimos anos a EL recuperou importância em experiências para a deteção de eventos raros, como a procura de matéria negra e do decaimento beta duplo. NEXT (Neutrino Experiment in a xenon TPC) é uma colaboração internacional que tem como objetivo medir o decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos, 0νββ, no isótopo 136Xe. Estudos recentes de simulação Monte Carlo realizados em Coimbra apontam tendências diferentes para cada gás adicionado ao xénon. Enquanto a presença de CH4 em quantidades da ordem de um por cento ou inferior não tem impacto importante na redução de EL, a adição de CF4 reduz significativamente a EL, mesmo em quantidades de algumas décimas percentuais. Um compromisso deve ser encontrado entre a redução de EL e a quantidade de impurezas moleculares a adicionar ao xénon. É de grande importância para a colaboração NEXT que estes estudos de I&D sejam realizados, tanto experimentalmente como por simulação. O Grupo de Instrumentação Atómica e Nuclear (GIAN) do Centro de Instrumentação da Universidade de Coimbra tem grande experiência na área, tendo ficado a seu cargo a realização de estudos detalhados sobre este tema. No presente trabalho, foram realizadas medidas relativas do rendimento de EL em xénon e em misturas de xénon usando um CGCP sem região de deriva com um campo elétrico uniforme. Outros parâmetros investigados, incluindo a amplitude, resolução em energia e velocidade de deriva, foram medidos em função do campo elétrico reduzido na região de cintilação. Os resultados obtidos são concordantes com os resultados de simulação de Monte Carlo.