Novel Techniques for High Pressure Noble Gas Radiation Detectors

Tese de doutoramento em Engenharia Física, ramo de Instrumentacão, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraThis thesis presents the studies conducted with the objective of developing a new and ruggedized Gas Proportional Scintillation Counter (GPSC) based on high-pressure Xe (5- 20 bar) with a cylindrical geometry for the detection of hard X- and gamma-rays (100 keV to 662 keV). It is to be used in eld applications, where robustness is a requirement, for example in homeland security (detection of illegal transport of radioactive material) or for geological prospection (instrumentation for boreholes). A study of the mobility of ions in gases used in large volume detectors is also presented. In GPSCs, the detection of ionizing radiation is based on the production of scintillation photons as the ampli cation stage, followed by their detection with the help of a photosensor, typically a photomultiplier. GPSCs have an absorption/drift region where the ionizing radiation is absorbed, producing a cloud of primary electrons which is guided by a low electric eld (kept below the excitation threshold of the gas) to the scintillation region, where the electric eld is above the scintillation threshold but below the ionization threshold of the gas. In the scintillation region, they produce a large number of scintillation photons (vacuum ultra-violet photons), emitted during the deexcitation process of the gas atoms. These will eventually reach the photosensor, producing a signal proportional to the energy of the incident radiation. Conventionally, the adopted geometry is planar, since it displays the best energy resolution, but because of the photosensors usually adopted, its use in eld applications is limited. In a recent work, a prototype was developed with a planar geometry with the objective of being more ruggedized for eld applications. The main di erence consisted of the use of a deposited caesium iodide as the photosensor, with the photoelectrons produced by the VUV photons being collected at a grid close to the photocathode. However, this new detector displayed several limitations: low detection e ciency for high energy radiation (above 50 keV); small solid angle subtended by the photosensor; and the high bias voltage needed, which reduced its performance and its application scope. So, to solve these limitations a new detector for higher energies (100-662 keV) was developed using a cylindrical geometry, which is expected to display several advantages. On one hand, the cylindrical con guration allows the number of metallic grids used to be decreased, thus reducing the impact of the internal optical transmission in the detector gain. In addition, the fact that the photocathode is deposited on the inner surface of the detector walls signi cantly increases the solid angle subtended by the photosensor, improving the gain. Also because the radiation is absorbed along the cylinder axis, the detecting e ciency is improved. Moreover, this con guration will, in principle, allow the bias voltage to be minimized for the same gain when compared with the planar geometry. In this work, this new prototype was designed according to the initial performance requirements, constructed and assembled, followed by its characterization with the assessment of the prototype performance using an alpha particle source of 241Am, varying the pressure from 1 up to 3 bar. In the initial stage, the characterization of the 241Am source was performed, followed by the study of the charge collection at the anode and the characterization of the scintillation signal. In this study, it was possible to verify that increasing the E=p above the ionization threshold at the anode surface and slightly above the scintillation one in the collecting region, the energy resolution was improved. In addition, the gain and the signal-to-noise ratio (SNR) of the detector were also determined. Regarding the gain, the experimental values determined were in agreement with the theoretical ones, and at the best possible conditions we were able to reach a gain of 1.9 at 1.05 bar, which gives a good outlook for achieving gains of about 30 at 15 bar. As for the SNR, in the best possible conditions studied, the signal was 10 times greater than the noise, which allowed the minimum detectable energy to be estimated with the detector in the present operating conditions. In parallel with the development of this new detector, the transport properties of ions were also studied to provide information on ion mobility for di erent gas mixtures used or considered for several major experiments (ALICE TPC and TRD, CBM TRD, Next and the future LCTPC), as the information of the mobility of ions in gases is relevant not only for the design and modelling of gaseous radiation detectors, but also in the understanding of the signal formation. This work was developed in the scope of our participation in the NEXT Collaboration and RD51 Collaboration from CERN. The ion drift chamber used in these studies, already available in our laboratory, allows the drift time of this group of ions to be determined with precision and consequently their drift velocity and mobility. Finally, knowing the mobility of these ions and using Blanc's law with the polarization limit of the Langevin's formula, it is possible to identify most of the collected ions. In the scope of this thesis, 5 gas mixtures of interest for the above-mentioned experiments were studied: Xe-N2, Xe-CO2, Xe-CF4, Ar-C2H6 and Ar-CH4. Another interesting result coming from this work is related to the validity of the Langevin polarization formula used to predict the mobility of ions and whose limitations are related to the weak polarizability of some neutrals such as Ne, or by the numerous internal degrees of freedom, responsible for reducing the mobility in gases such as CO2 by about 10%. An alternative method to the use of the Langevin polarization limit, when it fails, is proposed, which will allow a better estimate of the mobility to be obtained.Esta tese apresenta os estudos realizados com o objectivo de desenvolver e testar um detetor gasoso do tipo contador gasoso de cintilação proporcional (CGCP) baseado em Xe a alta pressão (5-20 bar) com geometria cilíndrica para a detecção de raios-X duros e de radiação gama (100-662 keV), para utilização em ambientes hostis em que a robustez é um requisito, por exemplo em segurança nacional (detecção de transporte ilegal de material radioativo) ou em instrumentação para prospecção geológica. Apresenta também o estudo realizado relativamente às propriedades de transporte de iões em meios gasosos de interesse para detetores de grande volume. Nos CGCPs, a detecção da radiação ionizante assenta na produção de fotões de cintilação como estágio de ampli cação e sua posterior detecção com a ajuda de um fotosensor, geralmente um fotomultiplicador. Os CGCPs são constituídos por uma região de absorção/deriva onde a radiação ionizante é absorvida dando origem a uma nuvem de electrões primários que é guiada por um campo eléctrico baixo (abaixo do limiar de excitação do gás) em direcção à região de cintilação secundária onde, devido ao campo eléctrico mantido acima do limiar de excitação e abaixo do limiar de ionização do gás, são produzidos um elevado número de fotões de cintilação (fotões de VUV). Os fotões emitidos durante o processo de desexcitação dos átomos do meio irão atingir o fotosensor originando um sinal proporcional à energia da radiação incidente. Convencionalmente, a geometria adoptada é a geometria planar por ser a que apresenta a melhor resolução em energia, mas devido à utilização de fotosensores o seu uso em ambiente de campo e limitada. Recentemente foi desenvolvido um protótipo com geometria planar, mais robusto, tendo em vista esse tipo de aplicações, uma vez que utiliza como fotosensor um depósito de iodeto de césio, sendo a carga originada no mesmo pela incidência de fotões VUV, e recolhida numa grelha colocada na sua proximidade. Contudo, este detector revelou algumas limitações: baixa eficiência de detecção para radiação de energia acima de 50 keV, baixo ângulo sólido e elevada tensão de polarização necessária, que condicionam o seu desempenho e a sua gama de aplicações. Para resolver estas limitações foi desenvolvido um novo protótipo para detecção de radiação de energia mais elevada (100-662 keV), optando-se por uma geometria cilíndrica, que apresenta inúmeras vantagens. Por um lado, a con figuração cilíndrica permite diminuir o número de grelhas metálicas utilizadas no anterior protótipo, reduzindo o impacto da transmissão óptica interna no ganho do detector, e melhora signi ficativamente o ângulo sólido. Não menos importante e a melhoria que esta con figuração permite ao nível da e ficiência de detecção, já que nesta geometria a radiação é absorvida ao longo do eixo principal do detector. Também diminui signi ficativamente a tensão de polarização quando comparado com a geometria planar. Depois de um estudo preliminar, o detector foi projetado construído e montado, tendo sido feita a caracterização preliminar do mesmo, à qual se seguiu a veri ficação do seu desempenho com o recurso a uma fonte de partículas alfa de 241Am, para pressões entre 1 a 3 bar. Numa primeira fase, foi feita a caracterização da fonte de 241Am utilizada nos testes, à qual se seguiu o estudo da carga primária recolhida no ânodo, seguindo-se a caracterização do sinal de cintilação. Com este estudo foi possível veri ficar que aumentando o E/p para valores acima do limiar de ionização à superfície do ânodo e ligeiramente acima do limiar de excitação a resolução em energia do detector na região de recolha poderia ser melhorada. Neste trabalho foram ainda estudados o ganho e a relação sinal-ruído (SNR) do detector. Em relação ao ganho, o comportamento observado era o o esperado teoricamente, sendo que nas melhores condições possíveis foi obtido um ganho de 1.9 a 1.05 bar o que nos dá boas perspectivas para alcançar ganhos na ordem de 30 para pressões de 15 bar. Já em relação à SNR, nas melhores condições possíveis, o sinal observado foi 10 vezes superior ao ruído, o que permitiu estimar a energia mínima detetável nestas condições de operação. Em paralelo com o desenvolvimento deste novo detector, foi estudada a mobilidade de iões em diferentes misturas gasosas de interesse ou utilizadas em diversas experiências de grande relevância (ALICE TPC e TRD, CBM TRD, NEXT TPC e a futura LCTPC), uma vez que a informação sobre a mobilidade de iões é relevante não só para o desenho e modelação de detectores, mas também para a compreensão da formação dos impulsos gerados. Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da nossa participação na colaboração NEXT e RD51 do CERN. A câmara de deriva de iões positivos utilizada nestes estudos, já existente no laboratório, permite determinar com precisão o tempo de deriva deste grupo de iões e consequentemente a sua velocidade de deriva e mobilidade. Determinada a mobilidade destes iões e utilizando a Lei de Blanc e o limite de polarização de Langevin é possível efectuar a sua identi ficação. No âmbito desta tese foram feitos estudos relativos a cinco misturas com interesse para as experiências mencionadas: Xe-N2, Xe-CO2, Xe-CF4, Ar-C2H6 and Ar-CH4. Neste estudo foi também veri ficada a validade do limite de polarização de Langevin para a estimativa da mobilidade de iões, tendo-se concluído que as suas limitações estão relacionadas essencialmente com a fraca polarizabilidade dos átomos ou moléculas envolvidos como é o caso do Ne, ou pela presença de inúmeros graus de liberdade internos nas mesmas que são responsáveis por reduzir a mobilidade em cerca de 10% em casos como o do dióxido de carbono, CO2. Esta informação torna-se especialmente relevante pois a introdução de correcções permite obter melhores estimativas para a mobilidade em casos onde não existem medidas experimentais