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.