Measurement of ion mobility in relevant mixtures used in gas detectors

Abstract

Os TRD (Detetores de Radiação de Transição) são maioritariamente usados na identi cação de particulas a elevado momento. Nesta base, a escolha da mistura gasosa para tais detetores é determinada por certos parâmetros, tais como elevada velocidade de eletrões/iões e baixa difusão de eletrões, os quais são de extrema importância já que influencía a rate capability e a formação de sinal de detetores como as Câmaras Proporcionais de multi- fios (MWPCs).No contexto da nossa participação na colaboração RD51/CERN, foi estabelecido um projeto comum com a GSI Darmstag (Alemanha), Universidade de Uludag (Turquia) e VECC (India) que se focou no estudo de propriedades de transporte de iões de misturas gasosas relevantes para o ALICE TPC. Tendo isso como foco, foram efetuadas medidas experimentais de mobilidade de iões, K0, para várias misturas gasosas, nomeadamente para misturas de Xenon (Xe-C2H6 and Xe-CH4) e misturas de azoto (Ar-N2). Os resultados são apresentados para pressões totais de 8 Torr e campos elétricos reduzidos (E/N) compreendidos entre 10-25 Td, à temperatura ambiente.A IDC (Ion Drift Chamber) usada para efetuar os estudos de mobilidade de iões foi inicialmente desenvolvida por P.N.B. Neves. As técnicas para a realização dos estudos anteriormente mencionados são descritas neste documento e fazem uso de um GEM (Gaseous Electron Multiplier) e uma lâmpada de flash UV para produzir os iões.Os resultados relativos a misturas de C2H6 revelam a presença de dois picos ao longo de todo o estudo efetuado, para além do aparecimento de um pequeno pico à direita do pico principal para concentrações de Xe superiores a 70% e campos reduzidos de 20Td. Já para misturas de CH4 é reportado a presença de dois grupos distintos de iões,em que a natureza dos mesmos depende do rácio da mistura, já que estes são originados tanto por Xe como por CH4.

Transition Radiation Detectors (TRDs) are mainly used for particle identi cation at high momenta. Moreover, the choice of the gas mixture for such detectors is determined by several parameters such as high electron/ion velocity and low electron diffusion, which are of key importance as they influence the rate capability and signal formation of detectors such as the Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs).In the span of our participation in the RD51 collaboration/CERN, a common project was established with GSI Darmstag (Germany), Uludag University (Turkey) and VECC (India) regarding the study of ion transport properties of relevant gas mixtures for ALICE TPC. With this in mind, we performed experimental ion mobility measurements, K0, for several gas mixtures, namely xenon mixtures (Xe-C2H6 and Xe-CH4) and nitrogen mixtures (Ar-N2). The results are presented for total pressures ranging from 6-10 Torr and for reduced electric fields (E/N) in the 10-25 Td range at room temperature.The IDC (Ion Drift Chamber) used to conduct the ion mobility studies was initially developed by P. N. B. Neves. The techniques to perform the aforementioned studies are described in this report and make used of a Gaseous Electron Multiplier (GEM)and a UV flash lamp to produce the ions.The results for the C2H6 mixtures show the presence of two peaks throughout the entire range studied, besides the appearance of a small bump at the right side of the main peak for concentrations of Xe higher than 70% and reduced electric fields higher than 20Td. While for the CH4 mixtures it is reported the presence of two distinct groups of ions, with their nature depending on the mixture ratio since they are originated by both Xe and CH4.