Mikro desenli gazlı detektörlerde iyon-iyonik kümelerin sinyal oluşumuna etkileri

Abstract

Detektörlerin aktif gaz hacimlerinde, yüklü parcacıkların gaz moleküllerini iyonlaştırması ile ilk iyon grubu üretilmiş olur. Birçok gazlı detektörün içerisinde, elektronlar ve iyonlardan indüklenen sinyaller, genelde kullanılan elektronik cihazlar ile gözlenemeyecek kadar küçüktür. Bu durum elektronların yüksek elektrik alan vasıtasıyla, sinyalin alındığı elektrota yakın bir bölgeye transferi ile giderilir, burada elektronlar bol miktarda ikincil elektronlar ve iyonlar üretirler ki; bu olay çığ olarak adlandırılır. İyonlar hızlarının düşük olmasından dolayı uzun süre ortamda kalırken, elektronlar yalıtkan bir ortam söz konusu olmadığı için hızla bölgeyi terkeder. TPC gibi geniş gaz hacmine sahip detektörlerde birikmiş iyon yükü, önemli elektrik alan bozulmalarına neden olabilir. Bu bozulmaların üstesinden gelmek için, iyon mobilitesinin doğru olarak bilinmesi gereklidir. Magboltz gaz karışımları içerisinde elektron transferini simüle edebilir ama bilindiği kadarıyla iyonlar için böyle bir program yoktur. Bazı gazlar içerisinde iyonların mobilite değerlerini içeren bazı derlemeler mevcuttur ve bunlar temel hesaplamalar yapmak için oldukça caziptir. Bu veriler üzerinde, düşük iyonizasyon potansiyeline sahip olan gaz bileşeninin iyonlaşması sayesinde iyonların oluşacacağı varsayımı hakimdir. Bu tez kapsamında gösterildiği üzere, bu yanlış bir varsayımdır: Alkan iyonları tekrar tekrar alkan molekülleri ile reaksiyona girer, giderek daha büyük moleküller meydana getirirler; soygaz iyonları ise soygaz atomları ile bağlanabilir. Ancak tüm bu süreçlere rağmen sonuçta CO2+ ve H2O+ iyonik kümeleri meydana gelir. Bu reaksiyonlar tipik olarak 1 nanosaniye içerisinde gerçekleşir ve bu süre iyonların detektör içerisindeki transfer süresi ile kıyaslandığında çok hızlı reaksiyonlardır. Sonuçta daha büyük ve yavaş iyonik kümeler meydana gelir.

In detectors where gas is the active medium, a first set of ions is produced when charged particles ionize gas molecules. In most gas-based detectors, the signals induced by the ionization electrons and ions are too small to be visible with common read-out electronics. This is remedied by transferring the ionization electrons to a high-field region, in the vicinity of the read-out electrodes, where the electrons generate copious amounts of secondary electrons and ions the so called avalanche. The electrons are evacuated rapidly, provided they do not land on dielectric media (as is the case in GEMs) while ions, owing to their lower speed, stay around longer. In detectors with large drift volumes, such as TPCs, the accumulated ion charge can cause significant field distortions. In order to correct off-line for these space-charge distortions, one needs to know the ion mobility accurately. Magboltz can simulate electron transport in gas mixtures but there is, to the best of my knowledge, no such program for ions. Compilations do exist of the mobility of some ions in some gases and it is tempting to base calculations on these values, assuming that the gas component with the lowest ionisation potential supplies the ions. As I show in this thesis, this is an incorrect assumption: alkane ions repeatedly react with alkane molecules, forming larger and larger molecules; noble gas ions bind with noble gas atoms; CO2+ and H2O+ form clusters. These reactions typically take ns and hence are fast compared with ion transport in detectors. The reaction products are larger and heavier, hence slower than the originally produced ions.