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 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 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 Luso

3  HiRes (USA, )  AGASA (Japão, )  Pierre Auger (Argentina/EUA, )  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 Luso

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), = nm Bandas principais (0,0) – nm (0,1) – nm (1,0) – nm (0,2) – nm (1,2) – nm (1,3) – nm (2,1) – nm Jornadas do LIP Luso

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 Luso

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

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

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 ) N2-H N2-O N2-N2 Jornadas do LIP Luso

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

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 Luso

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 Luso

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 Luso

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 Luso

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 Luso

Medida da Tr( ,,T) and  PMT  (T) 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 Luso

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 ( )=  0.02)%/º Jornadas do LIP Luso

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 Luso

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

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

Resultados da simulação Distribuição do c.d.o dos fotões que incidem no 336 hPa Jornadas do LIP Luso

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

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

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 Luso

24 7. Resultados: (0,0) band light yield (337.1 nm) 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 Luso

densidade do gás constante 7.2 Dependência com a temperatura:  =  0.20  =   0.20 Jornadas do LIP Luso

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 Luso

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 Luso

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