Detetores gasosos de radiação : efeitos da retrodifusão na emissão de fotoeletrões por fotocátodos de Csl em meio gasoso e eletroluminescência em Xe dopado com CH₄ e CF₄

Palavras-chave: Detectores de radiação

Neste trabalho investiga-se a extração de fotoeletrões emitidos por fotocátodos de CsI em meio gasoso, quando o fotocátodo é irradiado por radiação VUV, e o efeito da dopagem de Xe com CH4 ou CF4 na eletroluminescência. A deriva dos eletrões nos meios gasosos é investigada por simulação de Monte Carlo, permitindo obter e discutir em detalhe os resultados para a eficiência de extração f e para o rendimento de eletroluminescência H. A extração de fotoeletrões é também investigada experimentalmente, permitindo confirmar os comportamentos previstos por simulação para f. Para validar o modelo de Monte Carlo e as secções eficazes de difusão de eletrões usadas nas simulações, são calculados parâmetros de deriva de eletrões nos meios gasosos, que são analisados e comparados com dados experimentais da literatura. A eficiência de extração f é determinada nos gases moleculares CH4, CF4, CO2 e N2 e suas misturas binárias com os gases nobres Xe, Ar e Ne, sendo calculada por simulação para fotões absorvidos monocromáticos com energias Eph na gama 6.7-9.8 eV e medidos experimentalmente para fotões VUV de uma lâmpada de Hg(Ar) de distribuição espetral (gaussiana) centrada em Eph = 6.7 eV, considerando os campos elétricos reduzidos E/N na gama 0.1-40 Td. Exceto para N2 e Ne-N2, meios não examinados por simulação, os resultados experimentais de f são comparados com resultados de Monte Carlo, verificando-se em geral bom acordo. A dependência de f com E/N, composição da mistura e Eph é analisada. Mostra-se que geralmente f aumenta com E/N, gradualmente nos gases nobres e de um modo repentino a baixo E/N nos gases moleculares e misturas. A eficiência f diminui com Eph, exceto em algumas gamas restritas a baixos E/N. Verifica-se que fCH4 e fCF4 são consideravelmente superiores a f nos gases nobres e que fCO2 é inferior a fCH4 e a fCF4 a menores Eph mas é idêntico para maiores Eph. A adição de um dos gases moleculares CH4, CF4 ou CO2 a um dos gases nobres Xe, Ar ou Ne, ainda que em pequenas concentrações, permite aumentar f significativamente, por vezes com f nas misturas a ultrapassar f nos gases moleculares puros. Por outro lado, verificou-se experimentalmente (para Eph ~ 6.7 eV) que fN2 é menor do que f nos outros gases investigados e que nenhum benefício em f é obtido adicionando N2 a Ne. A extração de fotoeletrões depende do campo elétrico E/N que guia os eletrões e da energia de emissão 0 dos fotoeletrões (que cresce com Eph), dois fatores independentes do meio gasoso. A eficiência f tende a diminuir com 0, porque os fotoeletrões têm de perder mais energia até o retorno ao fotocátodo se tornar energeticamente proibido. A dependência da extração dos fotoeletrões com o meio gasoso é explicada através da correlação de f com a penetração inicial  no gás, relacionada com a secção eficaz total de difusão, e com a eficácia de perda de energia dos fotoeletrões no gás, relacionada com a competição entre os processos elásticos e inelásticos no gás. A extração dos fotoeletrões é favorecida por uma penetração inicial  longa e pela redução rápida da energia dos fotoeletrões em colisões inelásticas. As simulações mostram que a ocorrência de colisões inelásticas a baixa energia nas primeiras colisões desempenha um papel decisivo no aumento de f, como acontece com as excitações vibracionais em CH4, CF4 e CO2 e nas suas misturas com Xe, Ar e Ne, que competem eficientemente com a difusão elástica. Em contraste, nos gases nobres as colisões inelásticas são pouco frequentes para as gamas de E/N e Eph investigadas, porque os seus limiares são apenas atingidos a maiores E/N e após numerosas colisões elásticas. Neste trabalho é também investigada a viabilidade da dopagem de Xe com CH4 ou CF4 em detetores gasosos em que a amplificação é conseguida através da produção de eletroluminescência em regime sem multiplicação de carga. A adição de gases moleculares a Xe aumenta a velocidade de deriva e reduz a difusão dos eletrões, um efeito que é desejável em detetores de grandes dimensões onde os eletrões primários derivam longas distâncias na região de absorção/deriva. No entanto, é necessário encontrar um compromisso, pois a presença das moléculas deteriora a resolução em energia, porque reduz o rendimento de eletroluminescência H e aumenta as flutuações associadas. Estes efeitos são devidos à introdução não só de colisões dos eletrões com excitação vibracional das moléculas e captura de eletrão por moléculas, como também a processos alternativos de desativação dos estados excitados de Xe em colisões a 2 ou 3 corpos envolvendo moléculas, processos que inibem a formação dos excímeros de Xe que são as espécies emissoras da cintilação. No caso de CF4, a redução de H e o aumento das flutuações são muito pronunciados devido ao efeito muito significativo da captura de eletrões, afastando CF4 como aditivo aceitável. No entanto, a adição de CH4 afeta H e as suas flutuações em muito menor extensão, indicando os cálculos que a adição de CH4 em concentrações menores do que ~1% pode ser uma escolha apropriada.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais