1 jornadas do LIP Luso, Portugal Dependência com a temperatura da cintilação UV do azoto M. M. Fraga 1, A.Onofre 1, L. Pereira 1, F.Fraga 1, N.F.Castro.

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1 1 jornadas do LIP 2008 @ Luso, Portugal Dependência com a temperatura da cintilação UV do azoto M. M. Fraga 1, A.Onofre 1, L. Pereira 1, F.Fraga 1, N.F.Castro 1 F.Veloso 1, R. F. Marques 1, M.Pimenta 2, A.Policarpo 1 1 LIP- Coimbra, Dep. Física, Universidade de Coimbra, Portugal 2 LIP-IST, Lisboa, Portugal

2 2 Estrutura 1.Motivação 2.Objectivos 3.Fonte de excitação e canais de excitação: partículas alfa vs electrões 4.Modelo cinético e teoria 5.Sistema experimental 6.Simulação da câmara e avaliação dos factores de correcção 7.Resultados e discussão 8.Conclusões e trabalhos futuros Jornadas do LIP 2008 @ Luso

3 3  HiRes (USA, 1983-2003)  AGASA (Japão, 1997-2006)  Pierre Auger (Argentina/EUA, 2004- )  EUSO 1. Motivação Conhecimento mais detalhado do perfil longitudinal de fluorescência da atmosfera i.e. Y(T,P)  Maior estatística  Menor incerteza Jornadas do LIP 2008 @ Luso

4 4 2. Objectivos  Estudar a dependência com a temperatura da cintilação UV do N 2  Conhecer melhor os mecanismos que levam às emissões UV do N 2 Emissões UV : –2 º sistema positivo do N 2 v’=0-4 ; v’’ = 0,... –1 º sistema negativo do N 2 banda (0,0), = 391.2 nm Bandas principais (0,0) – 337.1 nm (0,1) – 357.6 nm (1,0) – 315.8 nm (0,2) – 380.4 nm (1,2) – 353.6 nm (1,3) – 375.4 nm (2,1) – 313.5 nm Jornadas do LIP 2008 @ Luso

5 5 3. Excitação do estado N 2 * (C 3  u,v’) fonte alfa vs fonte de electrões  A excitação directa a partir do estado fundamental por He++ é proibida pelas leis de conservação do spin  Excitação directa por electrões (primários e secundários) domina excepto (eventualmente) no final da trajectória a pressão deverá se mantida abaixo dos 600 hPa I. Tatischeff, J. Chem. Phys. 52 (1970) 503. Jornadas do LIP 2008 @ Luso

6 6 Distribuição da energia dos electrões primários produzidos por partículas alfa (modelo de Rudd) Os electrões de baixa energia predominam! N2 @ 336 hPa, T = 293K E  =3.8 Mev ~5*10 5 e - /  Jornadas do LIP 2008 @ Luso

7 7 4. Modelo cinético Excitação:Desexcitação: nº fotões/MeV da banda (v’,v’’): Dependência com a pressão: Jornadas do LIP 2008 @ Luso

8 8 Dependência com a temperatura: A taxa de desactivação colisional é dada pela média de v  R (v) pesada pela distribuição de velocidades, i.e. Modelo de esferas rígidas :  (T) depende de:  Interacções que ocorrem durante as colisões  Estados inicial e final (electrónicos e vibracionais) das espécies em colisão  Distribuição dos níveis rotacionais para cada estado vibracional envolvido  AB  exp (Å 2 ) 5154.76N2-H20 3942.54N2-O2 1.5-2.044.18N2-N2 Jornadas do LIP 2008 @ Luso

9 9 Leis de dependência de  com a temperatura : Assumindo Jornadas do LIP 2008 @ Luso

10 10 N2N2 VP P C Ts 5. Sistema experimental Cooling unit PM2PM1  source IF Ts Fonte de excitação: partículas alfa de Am-241 numa atmosfera rarefeita PMTs: XP2020Q; IF: filtro interferencial (Melles-Griot, c=340 nm,  =10 nm) ; Ts: sensor de temperatura ; P: sensor de pressão (Setra 216); VP: bomba de vácuo; C: câmara (fechada após enchimento c/ gás  densidade do gás const.) Dimensões da câmara:  = 50 mm, L = 30 mm Jornadas do LIP 2008 @ Luso

11 11 6.1 Simulação do sistema experimental R’ v’v’’ : taxa de contagem medida; : nº de fotões por   :  /s  (,T o ) : eficiência quântica do fotocátodo à temperatura ambiente  : eficiência do circuito electrónico A v’v’’ : Coeficientes de Einstein para a transição v’v’’  v’ (P,T) : tempo de vida efectivo Taxa de contagem corrigida: Jornadas do LIP 2008 @ Luso

12 12 Os factores de correcção incluem: Perda de energia no gás Ângulo sólido de colecção dos fotões; Transmissão do filtro interferencial; Dependência da eficiência detecção com a variação da temperatura O código em GEANT4: Simula a perda de energia das partículas  Segue a trajectória de cada fotão e verifica se ele atinge o fotocátodo do PMT os efeitos da pressão na eficiência de cintilação (desactivação colisional) não são considerados Jornadas do LIP 2008 @ Luso

13 13 Simulation Code Gas, P, T Perfis de banda: I rel (  T) Tr filter ( ,  ) Distribuição e valores médios de: E i ; E loss ;  range ;  i ;  i ; N ph Sílica fundida: for  T = 50K Transmissão das janelas ~ constante  PMT (T)  ph Jornadas do LIP 2008 @ Luso

14 14 6.2 Perfis da banda O espectro rotacional foi calculadas para cada banda (v’,v’’), segundo a formulação de Hartmann & Johnson [1]; A probabilidade relativa de transição para as diferentes bandas também foi obtida de [1] Perfis das bandas para o sistema 2P do N2 entre 310 e 382 nm, para T=293 K Dependência com a temperatura do perfil da banda (0,0) [1] G. Hartmann and P. Johnson, J. Phys. B 11 (1978) 1597 Jornadas do LIP 2008 @ Luso

15 15 6.3 Medida da Tr( ,,T) and  PMT  (T) 6.3.1 Sistema experimental II Cooling unit Lâmpada : D 2 (para calibrações espectrorradiométricas); OF: fibra óptica; BS: beam splitter; BA: filtros neutros Monoc.; Monochromador Jobin-Yvon H20 FUV; PM2 and PM1: XP2020Q (a operar em regime de FEU); IF: Filtro interferêncial montado num motor de passo (  =0.9º), controlado por PC OF BA Jornadas do LIP 2008 @ Luso

16 16 6.3.2 Dependência com a temperatura da resposta do PMT i) Variação do ganho com T ii) Taxa de contagem vs T SER Coeficiente de sensibilidade espectral catódica:  k ( )= -(0.085  0.012)%/º Coeficiente de sensibilidade espectral ânodica:  A ( )= -0.15  0.02)%/º Jornadas do LIP 2008 @ Luso

17 17 6.3.3 Resposta do filtro interferencial  < 15º Todas as curvas estão corrigidas ás contagens de fundo e para dependência com o comprimento de onda da luz emitida pela lâmpada de D2. Estão normalizadas a 337,1 nm. O monocromador foi calibrado em comprimento de onda com uma lampada Hg (ORIEL) i) Temperatura ambiente: c =340 nm,  =10 nm Para a detecção da banda (0,0). Jornadas do LIP 2008 @ Luso

18 18 Comparação dos dois conjuntos de dados Índice de refracção efectivo Jornadas do LIP 2008 @ Luso

19 19 ii) Dependência com a temperatura: a) deslocamento do comprimento de onda central b) Deslocamento do máximo da transmissão : - 0.21%/º (inclui efeitos do PMT) (incerteza ~ 5%) - 0.09%/º (apenas o filtro) (incerteza ~30%) Jornadas do LIP 2008 @ Luso

20 20 6.4 Resultados da simulação Distribuição do c.d.o dos fotões que incidem no filtro @ 336 hPa Jornadas do LIP 2008 @ Luso

21 21 Distribuição dos c.d.o. dos fotões que emergem do filtro Jornadas do LIP 2008 @ Luso

22 22 @ 336 hPa Número médio dos fotões que incidem no PMT (relativamente à temperatura ambiente) em função da T Jornadas do LIP 2008 @ Luso

23 23 Erros sistemáticos : Tr(  ) e PMT:  0.45º  ~ 2%  r ( 1,  i ) =  10%  ~ 2% (fit e medida) Factores dependentes da temperatura:   c =  16%  ~ 1%   r (@ máximo) =  5%  ~ 0   t = 3%  º  P =  2 hPa Jornadas do LIP 2008 @ Luso

24 24 7. Resultados: (0,0) band light yield (337.1 nm) 7.1 @ à temperatura ambiente: 1/R vs P [23] A. Morozov et al., Eur. Phys. J. D 33 (2005) 207 ; [16] H. Brunet, thèse du doctorat, UPS, Toulouse ; [14] G. Dilecce et al., Chem. Phys. Lett. 431 (2006) 241 ; [15] Calo & Axtmann, J. Chem. Phys. 54 (1971) 1332., [24] Pancheshnyi et al., Chem. Phys. 262 (2000) 349 Jornadas do LIP 2008 @ Luso

25 25 @ densidade do gás constante 7.2 Dependência com a temperatura:  = -0.46  0.20  = -0.96   0.20 Jornadas do LIP 2008 @ Luso

26 26 Dependências negativas com a temperatura das taxas de desactivação colisional foram relatadas para outras reacções do tipo A +* +B, ou A*+B (A e B podem ser átomos ou moléculas), e são normalmente explicadas em termos de forças atractivas de longo alcance. Explicação: a desactivação é favorecida através da formação de uma molécula complexa com probabilidade P. À medida que a temperatura diminui, tanto P como o tempo de vida do complexo aumentam. Este mecanismo é importante quando as colisões envolvem estados electrónicos de alta-energia. Exemplo: N 2 + (B,v’=0) + N 2 A. Belikov et al., J. Chem. Phys. 102 (1995) 2792 Para o estado N2(C) sugerimos o modelo de Calo e Axtmann para explicar os resultados...e espera-se por mais resultados teóricos ou estudos experimentais : Jornadas do LIP 2008 @ Luso

27 27 Conclusões  A simulação avalia os factores de correcção dos dados experimentais, tendo em conta a dependência com a temperatura dos diferentes sistemas ópticos de detecção.  Os dados corrigidos à temperatura ambiente fornecem um valor para A 0 /k 0 que concorda com os dados existentes dentro das incertezas experimentais.  A luz de cintilação da banda (0,0) decresce com a temperatura;  Este comportamento, também foi encontrado noutros sistemas moleculares, e é explicado em termos da dependência com a temperatura da secção eficaz colisional. Futuro: Melhorar o sistema experimental; Realizar medidas resolvidas no tempo em função da temperatura; Extender as medições a outras bandas do 2P (N 2 ) e 1N (N 2 + ) Jornadas do LIP 2008 @ Luso

28 28 ‘’There are two possible outcomes: if the result confirms the hypothesis, then you've made a measurement. If the result is contrary to the hypothesis, then you've made a discovery.’’ EnricoEnrico Fermi