Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7284

The Fluorescence Yield of Air excited by Electrons measured with the AIRFLY Experiment

Andreas Obermeier

Abstract
A very direct way to observe ultra high energy cosmic rays is the fluorescence technique. Fluorescence detectors are already used in various experiments since the early eighties, the latest being the Pierre Auger Observatory. The most important parameter for the description of the fluorescence light detected is the fluorescence yield that defines how much light a particle causes on its way through gas. The fluorescence yield depends on temperature, pressure, gas composition and energy of the exciting particle. Also, the fluorescence yield is a major source of uncertainty in the reconstruction of the primary energy, because up to now its value is only determined within around 15%.

This thesis describes the AIRFLY experiment that was set up to determine the fluorescence yield precicely. The pressure dependence of 18 spectral lines in the range of 280 nm to 430 nm has been determined using high resolution spectra. The spectral distribution of the fluorescence light in air has been measured and the effect of argon has been found to be negligible. The proportionality of the fluorescence yield to the energy deposit of the electrons has been confirmed between 1 MeV and 3 MeV. Adopting an absolute scale for the fluorescence yield at 337 nm as given by Nagano et al., the consequences of this works results for cosmic-ray measurements has been investigated.

Messung der Fluoreszenzlicht-Ausbeute von mit Elektronen angeregter Luft mit dem AIRFLY Experiment

Zusammenfassung
Den direktesten Weg, von Kosmischer Strahlung erzeugte extensive Luftschauer (EAS) zu beobachten, bietet die Fluoreszenz Methode. Seit den frühen ’80er Jahren werden Fluoreszenz-Teleskope verwendet, zuletzt auch bei dem Pierre Auger Observatorium. Das damit beobachtete Fluoreszenz-Licht wird von atmosphärischem Stickstoff emittiert, der von den Teilchen des EAS angeregt wurde. Der wichtigste Parameter zur Beschreibung des Fluoreszenz-Lichtes ist die Fluoreszenzlicht-Ausbeute, die festlegt, wieviel Licht ein Teilchen auf seinem Weg durch Luft bewirkt. Die Fluoreszenzlicht-Ausbeute hängt dabei von Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung und der Energie des anregenden Teilchens ab. Die Fluoreszenzlicht-Ausbeute ist auch die größte Fehlerquelle bei der Rekonstruktion der Energie des Primärteilchens, da sie bis jetzt nicht genauer als auf etwa 15% bestimmt werden konnte.

Diese Diplomarbeit beschreibt das AIRFLY Experiment, das aufgebaut wurde, um die Fluoreszenzlicht-Ausbeute genau zu bestimmen. Mit Hilfe hochaufgelöster Fluoreszenz-Spektren wurde die Druckabhängigkeit von 18 Spektrallinien zwischen 280 nm und 430 nm bestimmt. Es ist auch die spektrale Verteilung des Fluoreszenzlichtes genau vermessen worden und die Energieabhängigkeit der Fluoreszenzlicht-Ausbeute wurde zwischen 1 MeV und 3 MeV untersucht. Es konnte weiterhin kein signifikanter Effekt von Argon auf das Fluoreszenz-Licht beobachtet werden. Schließlich wurden die Auswirkungen der Ergebnisse dieser Arbeit auf die Messung der Kosmischen Strahlen untersucht.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK