Lumière infrarouge du xénon gazeux : une nouvelle frontière en détection

Le xénon est souvent utilisé dans les détecteurs parce qu'il brille intensément quand des particules le frappent. Cette lumière est généralement dans le domaine ultraviolet (UV). Cependant, les scientifiques ont découvert que le xénon produit aussi de la lumière dans le domaine infrarouge (IR) quand il est excité. Cette lumière infrarouge a le potentiel d'améliorer les performances des détecteurs à l'avenir. Pour tirer le meilleur parti de cette caractéristique, il est important de bien comprendre les caractéristiques de la lumière infrarouge produite par le xénon.

Cet article discute de la première mesure résolue dans le temps de cette lumière infrarouge dans le xénon gazeux. Nous avons mis en place des expériences pour capturer à la fois les Signaux IR et UV émis lorsque une source de particules alpha frappe le gaz xénon. En analysant ces signaux, nous visons à fournir des aperçus sur le comportement de la lumière IR et ses applications potentielles.

#Processus de scintillation dans le xénon

Quand des particules chargées, comme les particules alpha, interagissent avec le xénon, elles peuvent exciter ou ioniser les atomes de xénon. Quand ces atomes retournent à leur état normal, ils libèrent de l'énergie sous forme de lumière. Cette lumière peut être UV ou IR.

Dans de nombreuses expériences, l'accent a été mis sur la lumière UV parce qu'elle est plus facilement détectée. Cependant, la lumière infrarouge émise est aussi significative et pourrait mener à de nouvelles façons d'améliorer les systèmes de détection.

Des recherches antérieures dans le xénon liquide et gazeux ont indiqué que la lumière infrarouge était moins affectée par les impuretés dans le gaz. Cependant, il n'était pas clair comment cela pourrait différer dans le xénon gazeux selon différentes conditions.

#Configuration expérimentale

Pour étudier la lumière infrarouge dans le xénon gazeux, nous avons construit une chambre spéciale. Cette chambre contenait du xénon gazeux et était équipée de tubes photomultiplicateurs (PMT) capables de détecter à la fois la lumière UV et IR. Nous avons utilisé une source de particules alpha pour exciter le xénon à l'intérieur de la chambre.

Dans notre configuration, deux PMT étaient utilisés pour la lumière UV, et un était dédié à la mesure de la lumière IR. Cet arrangement nous a permis de capturer très précisément le timing des deux types d'émissions lumineuses.

Notre chambre a été conçue pour garantir que toute impureté dans le xénon, comme la vapeur d'eau ou l'oxygène, reste faible. C'est crucial parce que les impuretés peuvent altérer la quantité et la qualité de la lumière produite.

#Mesure des signaux

Après avoir monté la chambre, nous avons commencé nos mesures. En remplissant la chambre avec du gaz xénon et en activant la source alpha, nous avons enregistré les signaux lumineux produits.

Les signaux des différents PMT ont été capturés et analysés pour déterminer combien de lumière IR et UV était émise et combien de temps il fallait pour que les signaux apparaissent après que les particules alpha aient frappé le gaz. Les mesures ont été prises dans diverses conditions, y compris des niveaux de pureté et de pression différents.

#Effets des impuretés

Nous avons étudié comment la présence d'impuretés affectait le signal infrarouge. Au départ, la chambre était remplie de xénon non purifié, ce qui entraînait une diminution des signaux lumineux au fil du temps à cause des impuretés par désorption.

Une fois que nous avons activé notre système de Purification en faisant circuler le xénon à travers un getter chaud, les signaux IR et UV ont montré une forte augmentation de leur intensité. Cela indiquait que l'élimination des impuretés aidait à maximiser la sortie lumineuse du gaz xénon.

Nous avons également noté que le signal IR présentait deux composants distincts : un composant rapide et un composant lent. Le composant rapide est lié aux excitations immédiates dans le xénon, tandis que le composant lent est associé à la recombinaison des électrons et des ions. La force de ce composant lent diminuait à mesure que la quantité d'impuretés dans le gaz augmentait.

#Profil temporel du signal IR

Ensuite, nous avons analysé le timing de la lumière IR émise. En examinant les temps d'arrivée des photons IR par rapport aux signaux UV, nous avons trouvé que le composant rapide avait une durée brève, tandis que le composant lent durait plus longtemps.

Les profils temporels ont montré que lorsque le xénon était purifié, la durée du composant lent augmentait, suggérant que la capacité des électrons à se recombiner et émettre de la lumière s'améliorait. Cela est devenu évident parce que moins d'impuretés signifiait que plus d'électrons pouvaient participer au processus d'émission de lumière.

#Estimation du Rendement lumineux

Comprendre le rendement lumineux, ou la quantité de lumière produite par unité d'énergie déposée dans le gaz, était important pour évaluer à la fois les signaux IR et UV. Nous avons estimé le rendement lumineux à partir du nombre de photons détectés et de l'énergie déposée par les particules alpha.

Nos résultats ont montré que le rendement de la lumière infrarouge était comparable à celui de la lumière UV, même si le nombre de photons IR détectés était plus faible. Cela était principalement dû à la petite surface effective pour détecter la lumière IR avec notre PMT.

#Dépendance de la pression du signal IR

Nous avons également examiné comment la variation de la pression du gaz xénon affectait les signaux lumineux. En changeant la pression du bas au haut, nous avons pu évaluer comment cela influençait les rendements de lumière IR et UV.

À des pressions plus faibles, le gaz plus léger permettait des distances plus grandes entre les particules chargées, ce qui pouvait affecter la recombinaison des électrons avec les ions. En augmentant la pression, nous avons observé une augmentation du rendement lumineux, particulièrement pour le signal IR. Cette découverte a mis en lumière la relation entre la pression et l'émission lumineuse dans le xénon.

#Conclusion

Les premières mesures de lumière infrarouge produites par le xénon gazeux fournissent des aperçus précieux sur le comportement de ce signal sous différentes conditions.

Nous avons trouvé que le rendement de la lumière IR a un potentiel significatif pour améliorer les performances des détecteurs futurs. En comprenant pleinement comment des facteurs comme la pureté du gaz et la pression impactent le signal IR, nous pouvons mieux exploiter cette capacité dans les technologies de détection de particules.

Nos observations indiquent que les signaux IR et UV peuvent fournir des informations complémentaires qui pourraient améliorer la résolution énergétique et l'identification des particules dans diverses applications en physique. De futures études vont se concentrer sur un affinage supplémentaire de la compréhension des émissions Infrarouges, notamment sous des conditions de champ électrique contrôlées et en relation avec différents types de particules.

L'exploration de la radiation infrarouge du xénon présente des opportunités passionnantes pour faire progresser la technologie des détecteurs dans le domaine de la physique des astroparticules.