Infrarotlicht von gasförmigem Xenon: Eine neue Grenze in der Detektion

Xenon wird oft in Detektoren verwendet, weil es hell leuchtet, wenn Partikel auf es treffen. Dieses Licht ist meistens im ultravioletten (UV) Bereich. Wissenschaftler haben jedoch entdeckt, dass Xenon auch Licht im infraroten (IR) Bereich erzeugt, wenn es angeregt wird. Dieses infrarote Licht könnte in Zukunft die Leistung von Detektoren verbessern. Um das Beste aus dieser Eigenschaft herauszuholen, ist es wichtig, die Eigenschaften des infraroten Lichts, das von Xenon erzeugt wird, vollständig zu verstehen.

In diesem Artikel geht es um die erste zeitaufgelöste Messung dieses infraroten Lichts in gasförmigem Xenon. Wir haben Experimente eingerichtet, um sowohl die IR- als auch die UV-Signale zu erfassen, die entstehen, wenn eine Alpha-Teilchenquelle auf das Xenongas trifft. Durch die Analyse dieser Signale wollen wir Einblicke in das Verhalten des IR-Lichts und dessen potenzielle Anwendungen geben.

#Scintillationsprozess in Xenon

Wenn geladene Partikel wie Alpha-Teilchen mit Xenon interagieren, können sie die Xenon-Atome anregen oder ionisieren. Wenn diese Atome in ihren Normalzustand zurückkehren, geben sie Energie in Form von Licht ab. Dieses Licht kann UV oder IR sein.

In vielen Experimenten lag der Fokus auf dem UV-Licht, weil es leichter nachgewiesen werden kann. Das emittierte infrarote Licht ist jedoch ebenfalls von Bedeutung und könnte neue Wege zur Verbesserung von Detektionssystemen eröffnen.

Frühere Forschungen sowohl in flüssigem als auch in gasförmigem Xenon haben gezeigt, dass das infrarote Licht weniger von Verunreinigungen im Gas beeinflusst wird. Es war jedoch unklar, wie sich das in gasförmigem Xenon unter verschiedenen Bedingungen unterscheiden könnte.

#Experimentalaufbau

Um das infrarote Licht in gasförmigem Xenon zu untersuchen, haben wir eine spezielle Kammer gebaut. Diese Kammer hielt gasförmiges Xenon und war mit Photomultiplier-Tuben (PMTs) ausgestattet, die sowohl UV- als auch IR-Licht detektieren können. Wir haben eine Alpha-Teilchenquelle verwendet, um das Xenon in der Kammer anzuregen.

In unserem Setup wurden zwei PMTs für das UV-Licht verwendet, und einer war nur für die Messung des IR-Lichts vorgesehen. Diese Anordnung ermöglichte es uns, die Zeitpunkte beider Lichtemissionen sehr präzise zu erfassen.

Unsere Kammer wurde so konzipiert, dass Verunreinigungen im Xenon, wie Wasserdampf oder Sauerstoff, gering gehalten wurden. Das ist wichtig, weil Verunreinigungen die Menge und Qualität des erzeugten Lichts verändern können.

#Messung der Signale

Nachdem wir die Kammer eingerichtet hatten, begannen wir mit den Messungen. Als wir die Kammer mit Xenongas füllten und die Alpha-Quelle aktivierten, zeichneten wir die erzeugten Lichtsignale auf.

Die Signale der verschiedenen PMTs wurden erfasst und analysiert, um zu bestimmen, wie viel IR- und UV-Licht emittiert wurde und wie lange es dauerte, bis die Signale erschienen, nachdem die Alpha-Teilchen auf das Gas getroffen waren. Die Messungen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, einschliesslich unterschiedlicher Reinheits- und Drucklevels.

#Auswirkungen von Verunreinigungen

Wir haben untersucht, wie die Anwesenheit von Verunreinigungen das infrarote Signal beeinflusst. Zunächst war die Kammer mit unreinifiziertem Xenon gefüllt, was zu einem Rückgang der Lichtsignale über die Zeit aufgrund von Ausgasungen führte.

Sobald wir unser Reinigungssystem aktiviert haben, indem wir das Xenon durch einen heissen Getter zirkulieren liessen, zeigten sowohl die IR- als auch die UV-Signale einen starken Anstieg in der Stärke. Das deutete darauf hin, dass die Entfernung von Verunreinigungen half, die Lichtausbeute aus dem Xenongas zu maximieren.

Wir bemerkten auch, dass das IR-Signal zwei unterschiedliche Komponenten aufwies: eine schnelle und eine langsame Komponente. Die schnelle Komponente hängt mit sofortigen Anregungen im Xenon zusammen, während die langsame Komponente mit der Rekombination von Elektronen und Ionen verbunden ist. Die Stärke dieser langsamen Komponente nahm ab, als die Verunreinigungen im Gas zunahmen.

#Zeitprofil des IR-Signals

Als Nächstes analysierten wir das Timing des emittierten IR-Lichts. Durch die Untersuchung der Ankunftszeiten der IR-Photonen im Vergleich zu den UV-Signalen fanden wir heraus, dass die schnelle Komponente eine kurze Dauer hatte, während die langsame Komponente länger dauerte.

Die Zeitprofile zeigten, dass die Dauer der langsamen Komponente zunahm, wenn das Xenon gereinigt wurde, was darauf hindeutet, dass die Fähigkeit der Elektronen zur Rekombination und zur Lichterzeugung sich verbesserte. Das wurde offensichtlich, weil weniger Verunreinigungen bedeuteten, dass mehr Elektronen am Lichtemissionsprozess teilnehmen konnten.

#Schätzung der Lichtausbeute

Das Verständnis der Lichtausbeute, also wie viel Licht pro eingebrachter Energieeinheit im Gas produziert wird, war wichtig, um sowohl die IR- als auch die UV-Signale zu bewerten. Wir schätzten die Lichtausbeute anhand der Anzahl der detektierten Photonen und der von den Alpha-Teilchen eingebrachten Energie.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Lichtausbeute des infraroten Lichts vergleichbar mit der des UV-Lichts war, auch wenn die Anzahl der erfassten IR-Photonen geringer war. Das lag hauptsächlich an der kleinen effektiven Fläche zum Nachweis von IR-Licht mit unserem PMT.

#Druckabhängigkeit des IR-Signals

Wir haben auch untersucht, wie sich die Variation des Drucks des Xenongases auf die Lichtsignale auswirkte. Durch Veränderung des Drucks von niedrig auf hoch konnten wir bewerten, wie sich dies auf die IR- und UV-Lichtausbeuten auswirkte.

Bei niedrigeren Drücken erlaubte das leichtere Gas grössere Abstände zwischen geladenen Partikeln, was die Rekombination von Elektronen mit Ionen beeinflussen könnte. Als wir den Druck erhöhten, beobachteten wir einen Anstieg der Lichtausbeute, insbesondere für das IR-Signal. Diese Erkenntnis hebt die Beziehung zwischen Druck und Lichterzeugung in Xenon hervor.

#Fazit

Die ersten Messungen des infraroten Lichts, das von gasförmigem Xenon erzeugt wird, geben wertvolle Einblicke, wie dieses Signal unter verschiedenen Bedingungen reagiert.

Wir fanden heraus, dass die Lichtausbeute des IR-Lichts erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Leistung zukünftiger Detektoren hat. Indem wir vollständig verstehen, wie Faktoren wie Gasreinheit und Druck das IR-Signal beeinflussen, können wir diese Fähigkeit besser in der Teilchendetektionstechnologie nutzen.

Unsere Beobachtungen zeigen, dass sowohl die IR- als auch die UV-Signale komplementäre Informationen liefern können, die die Energieauflösung und die Teilchenidentifizierung in verschiedenen Anwendungen innerhalb der Physik verbessern könnten. Zukünftige Studien werden sich darauf konzentrieren, das Verständnis der infraroten Emissionen weiter zu verfeinern, insbesondere unter kontrollierten elektrischen Feldbedingungen und in Bezug auf verschiedene Teilchentypen.

Die Erforschung der Infrarotstrahlung von Xenon bietet spannende Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der Detektortechnologie im Bereich der Astroteilchenphysik.