Development of a Dual-Polarity Ion Drift Chamber and Study of ion transport properties in gaseous mixtures of interest

Abstract

O estudo das propriedades de transporte de iões em gases e misturas gasosas é de grande relevância em várias áreas desde a química à física, especialmente para o desenvolvimento de detetores de radiação de grande volume, como "Time Projection Chambers" (TPCs), onde a deriva dos iões representa um papel importante na formação de sinal.Por exemplo, no futuro Linear Collider TPC (LCTPC), que será o detetor central da experiência "Internatinal Linear Collider" (ILC), a deriva dos iões positivos poderá ter efeitos nocivos no desempenho do detetor. De modo a perceber a sua influência na formação sinal e a desenvolver sistemas para a mitigar, vários estudos sobre a mobilidade de iões em gases e misturas gasosas de interesse serão apresentados nesta dissertação. Nomeadamente, em isobutano puro (iso-C4H10), em misturas binárias de árgon (Ar) com tetrafluorometano (CF4) e isobutano, e em misturas binárias de tetrafluorometano com metano (CH4), etano (C2H6) e isobutano. Finalmente, foram feitas medidas em misturas ternárias de Ar-CF4-CH4 (92-3-5), Ar-CF4-C2H6 (94-3-3) e Ar-CF4-iso-C4H10 (95-3-2). Além disso, será apresentada uma interpretação dos resultados obtidos em misturas de árgon com azoto (N2), utilizando resultados obtidos anteriormente. Os resultados são apresentados para pressões totais entre 6 e 10 Torr, para campos elétricos reduzidos (E/N) entre 15 e 20 Td na maioria dos casos, tendo sido alargada a gama de E/N (10-45 Td) para o estudo em isobutano puro, à temperatura ambiente (293K).Por outro lado, recentemente tem surgido o interesse no desenvolvimento de "Negative Ion TPCs" (NITPCs) para física de eventos raros, como a procura de matéria escura e de decaimentos beta sem emissão de neutrinos, e também para astrofísica, pelo seu potencial em experiências de polarimetria de raio-X.Neste sentido, e em paralelo com os trabalhos de medição da mobilidade de iões positivos, uma nova câmara de deriva de iões, apelidada "Dual-Polarity Ion Drift Chamber" (DP-IDC), foi desenvolvida no âmbito deste trabalho. Esta nova câmara, para além do estudo da mobilidade de iões positivos, permitirá realizar estudos de mobilidade de iões negativos com interesse para o desenvolvimento de NITPCs, bem como variar a distância de deriva, funcionalidade que possibilitará retirar diferentes conclusões sobre a deriva de iões com especial interesse para o desenvolvimento de detetores de alta pressão.No âmbito deste trabalho, este novo sistema experimental foi projetado, construído, montado e testado. Os resultados dos primeiros testes com este protótipo serão apresentados, bem como uma discussão sobre as suas limitações atuais e formas de as resolver.

The study of ion transport properties in gases and gas mixtures is highly relevant in several areas ranging from chemistry to physics, especially in the development of large volume radiation detectors, such as Time Projection Chambers (TPCs), where the drift of ions plays an important role in the pulse shape.For example, in the upcoming Linear Collider TPC (LCTPC), which will be the central detector of the International Linear Collider (ILC) experiment, the drift of the positive ions may have undesirable effects on the detector performance. In order to both understand their influence on signal formation and to develop systems to reduce it, several studies on the mobility of positive ions in gases and gaseous mixtures of interest will be presented in this dissertation, namely, for pure isobutane (iso-C4H10), for binary mixtures of argon (Ar) with carbon-tetrafluoride (CF4) and isobutane, for binary mixtures of carbon-tetrafluoride with methane (CH4), ethane (C2H6) and isobutane. Finally, for ternary mixtures of Ar-CF4-CH4 (92-3-5), Ar-CF4-C2H6 (94-3-3) and Ar-CF4-iso-C4H10 (95-3-2). Also, an interpretation of the results previously obtained in mixtures of argon with nitrogen (N2) is presented. These results are presented for total pressures ranging from 6 to 10 Torr, for reduced electric fields (E/N) of 15 and 20 Td for most of the cases, with a larger range (10-45 Td) studied in the pure isobutane case, at room temperature (293K).On the other hand, interest has recently appeared in the development of Negative Ion TPCs (NITPCs) for rare event physics, such as dark matter and neutrinoless beta decay searches, and for astrophysics, because of their potential application in X-ray polarimetry.With this in mind, and in parallel with the positive ion mobility measurement work, a new ion drift chamber, named Dual-Polarity Ion Drift Chamber (DP-IDC), was developed within the scope of this work. This new chamber will not only allow the study of the mobility of positive ions, but will also enable us to perform studies on the mobility of negative ions with interest for the development of NITPCs, as well as allow the variation of the drift distance which will enable us to draw different conclusions about the ions drifting in the gases with special interest for the development of high pressure detectors.In the scope of this work, this new experimental system was designed, constructed, assembled and tested. The results of the first tests with this prototype will be presented here, as well as a discussion of its current limitations, and suggestions of improvements on its performance.