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2005 | Buch

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Detektoren für Teilchenstrahlung

verfasst von: Prof. Dr. rer. nat. Konrad Kleinknecht

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Teubner Studienbücher Physik

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung

Ionisierende Strahlung stammt entweder aus unserer natürlichen Umwelt oder aus künstlichen Strahlungsquellen. In beiden Fällen besteht die primäre Strahlung aus massiven geladenen Teilchen oder aus masselosen neutralen Quanten wie Photonen oder Neutrinos.

Konrad Kleinknecht

2. Ionisationsmessung

Zusammenfassung

In diesen Kammern wird die durch den Teilchendurchgang erzeugte primäre Ionisation gemessen. Die Kammern können entweder als Impulsionisationskammern oder als Stromionisationskammern betrieben werden, wobei entweder der durch ein einzelnes Teilchen verursachte Impuls oder der durch eine konstante Intensität einfallender Teilchen erzeugte Strom gemessen wird.

Konrad Kleinknecht

3. Ortsmessung

Zusammenfassung

Bei der Proportionalkammer wird das Prinzip des Proportionalzählrohrs (Kap. 2.2) auf großflächige Detektoren übertragen. Die Feldkonfiguration in einer Proportionalkammer zeigt Abb. 3.1.

Konrad Kleinknecht

4. Zeitmessung

Zusammenfassung

Eines der gebräuchlichsten Instrumente zur Registrierung des Zeitpunktes eines Teilchendurchgangs ist der Photomultiplier (PM) oder Sekundärelektronenvervielfacher (SEV). Sichtbares Licht aus einem Szintillator (Kap. 4.2) löst durch Photoeffekt Elektronen aus einer Alkali-Metall-Photokathode heraus. Für Kathoden aus einem Gemisch von zwei Alkalimetallen (Cs-K mit Sb,”Bialkali-Kathoden”) erreicht die Quantenausbeute, d.h. die Anzahl von ausgelösten Photoelektronen pro 100 einfallende Photonen, einen Wert von 25% bei einer Wellenlänge des Lichts von ca. 400nm (Abb. 4.1).

Konrad Kleinknecht

5. Teilchenidentifizierung

Zusammenfassung

Ein direkter Neutronennachweis ist nicht möglich, da die ungeladenen Neutronen keine Ionisation der Materie verursachen. Deshalb werden sie über Kernreaktionen mit geladenen Sekundärteilchen nachgewiesen. Es sind hauptsächlich vier Methoden, mit denen Neutronen gezählt und ihre kinetische Energie gemessen wird.

Konrad Kleinknecht

6. Energiemessung

Zusammenfassung

Die Wechselwirkung von hochenergetischen Photonen oder Elektronen mit Materie führt über Elektron-Positron-Paarbildung und Bremsstrahlung der Elektronen und Positronen zu einer Kaskade (“Schauer”) von Photonen, Elektronen und Positronen, die erst dann abbricht, wenn die Energie der Elektronen und Positronen die “kritische Energie” E _c erreicht (s. Kap. 1.2.2 und 1.2.3). Die Entwicklung eines solchen Schauers wird also durch die für Paarbildung und Bremsstrahlung charakteristische Länge bestimmt, die in Kap. 1.2.2 definierte Strahlungslänge X ₀. Eine vereinfachende Betrachtung solch eines Schauers sieht so aus: ein primäres Photon der Energie E ₀ erzeugt mit 54% Wahrscheinlichkeit in einer Schicht der Dicke X ₀ ein Elektron-Positron-Paar; beide Teilchen haben im Mittel ungefähr die Energie E ₀/2. Falls E ₀/2 > E _c ist, verlieren diese Elektronen und Positronen ihre Energie E ₀/2 überwiegend durch Bremsstrahlung (Kap. 1.2.3), wobei diese Energie in einer Schicht der Dicke X ₀ auf ungefähr E ₀/(2e) absinkt. Dabei wird im Mittel ein Bremsquant mit der Energie zwischen E ₀/(2e) und E ₀/2 abgestrahlt. Die mittlere Zahl der Teilchen nach einer Schicht der Dicke 2X ₀ liegt ungefähr bei 4. Die Bremsquanten bilden ihrerseits wieder Paare, so dass nach n Generationen — die ungefähr einer Schichtdicke von nX ₀ entsprechen — 2ⁿ Teilchen mit mittlerer Energie E ₀/2ⁿ den Schauer bilden.

Konrad Kleinknecht

7. Impulsmessung

Zusammenfassung

Ruht das Target im Laborsystem, so erzeugt ein hochenergetisches einfallendes Teilchen bei einer Reaktion im Target Sekundärteilchen, die in einem Kegel um die Strahlrichtung (z) konzentriert sind. Der Öffnungswinkel dieses Kegels ist durch das Verhältnis des mittleren Transversalimpulses bei der Reaktion (≤ 300 MeV/c) zum Longitudinalimpuls der Teilchen gegeben. Für ein hochenergetisches Teilchen mit dem Impuls (P _x, P _y, P _z) gilt dann P _x, P _y < < P _z. Durchquert das Teilchen der Ladung e ein homogenes Magnetfeld (0, B _y, 0) der Länge L, so wird seine Bahn im Magnetfeld ein Kreis mit Radius R = P/(eB _y) sein. Die Winkelablenkung θ in der (x, z)-Ebene ergibt sich geometrisch (s. Abb. 7.1) als

$$ 2\,\sin \frac{\theta }{2} = \frac{L}{R} = - e\frac{{{B_y}L}}{P} $$

(7.1)

Die Änderung des Transversalimpulses ΔP _x = P sin θ durch das Magnetfeld ist also in gutter Näherung für klein Winkelablenkungen:

$$ \Delta {P_x} = - e{B_y}L = - e\int {{B_y}dz} $$

(7.2)

Für ein inhomogenes Feld ist das Produkt B _y L durch das “Feldintegral” ∫ B _y d _z zu ersetzen. Numerisch ergibt ein Feldintegral von 10 kG·m = 1 T·m eine Änderung des Transversalimpulses von 0.3 GeV/c. Um den Impuls des Teilchens zu messen, genügt in dieser Näherung die Kinntnis der Winkelablenkung des Teilchens und des Feldintegrals. Die Winkelablenkung berechnet sich zu:

$$ \sin \,\theta = \sin \left( {{\theta_2} - {\theta_1}} \right) \simeq \sin {\theta_2} = \sin {\theta_1} $$

(7.3)

wobei θ ₂ der Winkel des auslaufenden Teilchens in der (x, z) Ebene und θ ₁ derjenige des einlaufenden Teilchens ist.

Konrad Kleinknecht

8. Beispiele für Anwendungen von Detektorsystemen

Zusammenfassung

Aus der Fülle von Anwendungen für Strahlungsdetektoren können hier nur wenige Beispiele angeführt werden. Sie reichen von der Medizin über die Raumfahrt bis zur Hochenergiephysik. In der Medizin werden radioaktive Nuklide eingesetzt, um die Ausdehnung von inneren Organen und ihre Funktion zu erfassen. Dabei wird die γ-Strahlung solcher in den Körper eingebrachter und an bestimmten Stellen sich konzentrierender Nuklide gemessen. In der Geophysik verwendet man bei der Suche nach Mineralien und Petroleum die natürliche oder induzierte γ-Strahlung als Indikator. In der Raumfahrt hat die Messung von geladenen Teilchen und γ-Strahlung allein schon deshalb Bedeutung, weil vermieden werden muß, dass die Raumfahrer zu starken Dosen ausgesetzt werden. Andererseits ist die Kenntnis der von der Sonne ausgehenden oder aus unserer Galaxie stammenden geladenen Teilchen und γ-Strahlen ein wichtiger Hinweis auf astrophysikalische Vorgänge. Für atom- und kernphysikalische Experimente wurden viele der erwähnten Detektoren erfunden und entwickelt. Dabei sind neue Detektoren entstanden, wie die Proportionalkammer, die Driftkammer und der Cherenkov-Zähler. Da die Hochenergiephysik die elementaren Bausteine der Materie untersucht, muss sie zu Dimensionen von 10⁻¹⁸ m vordringen, die nur bei hochenergetischen Stöß (≥ 100 GeV Schwerpunktsenergie) zugänglich sind.

Konrad Kleinknecht

Backmatter

Titel: Detektoren für Teilchenstrahlung
verfasst von: Prof. Dr. rer. nat. Konrad Kleinknecht
Verlag: Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN: 978-3-322-82205-5
Print ISBN: 978-3-8351-0058-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-322-82205-5

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