Spectral resolved measurement of the nitrogen fluorescence yield in air induced by electrons [Elektronische Ressource] / Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe. Tilo Waldenmaier

Tilo Waldenmaier

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• Publié le: 01 janvier 2006
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Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7209









Spectral resolved
Measurement of the Nitrogen
Fluorescence Yield in Air
induced by Electrons



T. Waldenmaier
Institut für Kernphysik




















April 2006 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7209
Spectral resolved Measurement of the Nitrogen
Fluorescence Yield in Air induced by Electrons

Tilo Waldenmaier
Institut für Kernphysik





Von der Fakultät für Physik
der Universität Karlsruhe (TH)
genehmigte Dissertation
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2006




















































Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe
Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)
ISSN 0947-8620
urn:nbn:de:0005-072092 Abstract
For the calorimetric determination of the primary energy of extensive air showers, measured
by fluorescence telescopes, a precise knowledge of the conversion factor (fluorescence yield)
between the deposited energy in the atmosphere and the number of emitted fluorescence
photons is essential. The fluorescence yield depends on the pressure and the temperature of
the air as well as on the water vapor concentration.
Within the scope of this work the “AirLight” experiment has been built up to measure
the nitrogen fluorescence yield in air. The fluorescence yields of the eight strongest nitro-
gen bands have been measured for electron energies between 250 keV and 2000 keV and
pressures ranging from 5 hPa to 1000 hPa. Furthermore, the influence of water vapor has
beeninvestigated. Anewapproachforthe parametrisationofthe fluorescence yield hasbeen
chosen, taking into account all the physical relations between the single nitrogen bands. The
global fit of the parametrisation to the measured data, leads to a consistent description of
the fluorescence yield with a minimal set of parameters.
Theresultingabsoluteaccuraciesforthesinglenitrogenbandsarebetween 13%and15%
and are thus of the same order as the best present measurements. In the investigated energy
range, thefluorescence yield proved tobeindependent oftheenergyoftheionizing electrons.
This implies the number of emitted photons to be proportional to the deposited energy in
the atmosphere.
Spektral aufgeloste Messung der durch Elektronen¨
induzierten Stickstoff Fluoreszenz in Luft
Zur kalorimetrischen Bestimmung der Prima¨renergie ausgedehnter Luftschauer, die durch
Fluoreszenzteleskope nachgewiesen wurden, ist eine genaue Kenntnis des Umrechnungsfak-
tors (Fluoreszenzausbeute) zwischen in der Atmosphare deponierter Energie und der Anzahl¨
der emittierten Fluoreszenzphotonen erforderlich. Die Fluoreszenzausbeute ha¨ngt hierbei
vom Druck und der Temperatur der Luft ab und wird zusatzlich durch die Luftfeuchtig-¨
keit beeinflusst.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Messung der Fluoreszenzausbeute von Stickstoff in
Luft das AirLight“-Experiment aufgebaut. Die Fluoreszenzausbeuten der acht intensivsten
”
Stickstoffbanden wurdenfurElektronenenergien zwischen 250keVund2000keVundDrucke¨ ¨
zwischen 5hPa und 1000hPa bestimmt sowie der Einfluss von Wasserdampf untersucht. Zur
Parametrisierung der Fluoreszenzausbeute wurde ein neuer Ansatz gewa¨hlt, der die phy-
sikalischen Beziehungen zwischen den einzelnen Banden berucksichtigt. Durch eine globale¨
Anpassung an die gemessenen Daten wurde somit eine konsistente Beschreibung der Fluo-
reszenzausbeute mit einem minimalen Satz von Parametern moglich.¨
Die absolute Genauigkeit der Ergebnisse fu¨r die einzelnen Banden liegt zwischen 13 %
und 15 % und ist somit vergleichbar mit den besten bisherigen Messungen. Im untersuch-
ten Energiebereich erwies sich die Fluoeszenzausbeute als unabha¨ngig von der Energie der
Elektronen, d.h. die emittierte Photonenzahl ist proportional zur deponierten Energie in der
Atmospha¨re.
iiiContents
Abstract i
1 Cosmic Rays and Fluorescence Detection 1
1.1 Cosmic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Energy Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Extensive Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 The Pierre Auger Observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Fluorescence Detection of Extensive Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Nitrogen Fluorescence in Air 13
2.1 Molecular Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Rotational States of Diatomic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Vibrational States of Diatomic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Electronic States of Diatomic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.4 Molecular Transitions and the Franck-Condon-Principle . . . . . . . . 19
2.2 The Spectrum of Molecular Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Modelling Nitrogen Fluorescence in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 De-Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 Total Fluorescence Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 The AirLight Experiment 33
3.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Electron Source Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Electron Detector Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 Photon Detector Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Gas System and Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 Coincidence Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2 Experimental Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
iii3.4.3 Data Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.1 Energy Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.2 Time Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.3 Photoelectron Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.4 Relative Calibration of the Photomultipliers . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Background Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Background in the Photon Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2 Background in the Electron Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 GEANT4 Simulations 69
4.1 Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Detector Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.2 Physics List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Electron Energy Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Detected Energy Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Energy Deposit in Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Photon Angular Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Measurement and Data Analysis 79
5.1 Datasets Used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Analysis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.1 Time Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.2 General Minimization Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.3 Data Acquisition Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.4 Detection Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.5 Starting Values and optimal Fit Range . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3 Study of Nitrogen Quenching in different Gas Mixtures . . . . . . . . . . . . 91
5.4 Study of Humidity Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5 Study of Energy Dependence of the Fluorescence Yields . . . . . . . . . . . . 101
5.6 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 S