Fluoreszenzausbeute

Wie viele andere moderne Luftschauerexperimente verwendet das Pierre Auger Observatorium Stickstofffluoreszenz in Luft, um ausgedehnte Luftschauer (engl. extended air showers, kurz EAS) zu detektieren. Diese Luftschauer entstehen durch ultrahochenergetische, kosmische Strahlung in der Atmosphäre.

Der Umrechnungsfaktor zwischen dem Energieeintrag des Luftschauers in der Atmosphäre und der Anzahl der ausgesandten Fluoreszenzphotonen muss genau bekannt sein, um die Energie des Primärteilchens zu bestimmen. Dementsprechend gibt es mehrere Experimente (u.a. AIRFLY, AirLight, FLASH), welche diese sogenannte Fluoreszenzausbeute für unterschiedliche Elektronenstrahlenergien exakt messen.

Die Fluoreszenzausbeute hängt sowohl von Druck und Temperatur der Luft als auch von der Feuchtigkeit ab.

Das AirLight Experiment misst die Fluoreszenzausbeute von Elektronen in Stickstoff und Luft unter den gleichen atmosphärischen Bedingungen, wie sie auch in ausgedehnten Luftschauern auftreten. AirLight wurde am Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) entworfen und umgesetzt.

Im AirLight Experiment produzieren Elektronen, die mit einer Energie zwischen 250 und 2000 keV aus einer Strontium-90 Quelle emittiert werden, Fluoreszenzlicht in Gasen. Diese Fluoreszenzemission wird von sieben Photomultipliern gemessen, welche kreisförmig um den Elektronenstrahl angeordnet sind.

Die Fluoreszenzausbeute wurde bereits für die acht stärksten Stickstoff-Emissionsbänder gemessen. Diese Messungen wurden jeweils in trockener Luft, reinem Stickstoff und in einer Sauerstoff-Stickstoff Mischung bei Drücken zwischen 2 hPa und 990 hPa durchgeführt. Die absolute Genauigkeit der Detektionseffizienz einzelner Frequenzbereiche befindet sich in der Größenordnung von 15%. Um die Fluoreszenzausbeute mit einer verbesserten Genauigkeit von 10% oder weniger zu messen, wird derzeit eine absolute Kalibration durchgeführt, welche den Elektronenstrahl in der Kammer durch einen Stickstofflaser (337 nm) ersetzt. Die Energie der Rayleigh Streuung des Laserlichts wird von einer am NIST kalibrierten Sonde mit einer Genauigkeit von +/- 5% gemessen.