Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7209

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

T. Waldenmaier

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 nitrogen 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 been investigated. A new approach for the parametrisation of the fluorescence yield has been 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.

The resulting absolute accuracies for the single nitrogen bands are between 13 % and 15 % and are thus of the same order as the best present measurements. In the investigated energy range, the fluorescence yield proved to be independent of the energy of the ionizing electrons. This implies the number of emitted photons to be proportional to the deposited energy in the atmosphere.

Spektral aufgelöste Messung der durch Elektronen induzierten Stickstoff Fluoreszenz in Luft

Zusammenfassung
Zur kalorimetrischen Bestimmung der Primärenergie ausgedehnter Luftschauer, die durch Fluoreszenzteleskope nachgewiesen wurden, ist eine genaue Kenntnis des Umrechnungsfaktors (Fluoreszenzausbeute) zwischen in der Atmosphäre deponierter Energie und der Anzahl der emittierten Fluoreszenzphotonen erforderlich. Die Fluoreszenzausbeute hängt hierbei vom Druck und der Temperatur der Luft ab und wird zusätzlich durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Messung der Fluoreszenzausbeute von Stickstoff in Luft das ”AirLight“-Experiment aufgebaut. Die Fluoreszenzausbeuten der acht intensivsten Stickstoffbanden wurden für Elektronenenergien zwischen 250 keV und 2000 keV und Drücke zwischen 5 hPa und 1000 hPa bestimmt sowie der Einfluss von Wasserdampf untersucht. Zur Parametrisierung der Fluoreszenzausbeute wurde ein neuer Ansatz gewählt, der die physikalischen Beziehungen zwischen den einzelnen Banden berücksichtigt. Durch eine globale Anpassung an die gemessenen Daten wurde somit eine konsistente Beschreibung der Fluoreszenzausbeute mit einem minimalen Satz von Parametern möglich.

Die absolute Genauigkeit der Ergebnisse für die einzelnen Banden liegt zwischen 13 % und 15 % und ist somit vergleichbar mit den besten bisherigen Messungen. Im untersuchten Energiebereich erwies sich die Fluoeszenzausbeute als unabhängig von der Energie der Elektronen, d.h. die emittierte Photonenzahl ist proportional zur deponierten Energie in der Atmosphäre.

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