Teilchendetektoren

Partikeldetektoren

Ein Partikeldetektor ist ein Messgerät zur Detektion von sich bewegenden Molekülen, Atomen, Elementarteilchen oder zur Detektion verschiedener Strahlungen.
Da es eine große Anzahl von verschiedenen Partikeln mit einer großen Anzahl von unterschiedlichen Eigenschaften gibt, ist eine enorme Anzahl von verschiedenen Detektoren mit völlig unterschiedlichen Funktionsprinzipien erforderlich. Im Prinzip wird zwischen zwei großen Gruppen von Teilchendetektoren unterschieden, nämlich solchen, die zum Nachweis geladener sich bewegender Teilchen verwendet werden (Nachweis einer elektromagnetischen Wechselwirkung mit der Materie) und solchen, die Teilchen erkennen können, die nicht mit der Materie interagieren (d.h. ungeladene Teilchen, insbesondere Neutronen).

Sie wurde von Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959) erfunden, weshalb sie auch als Wilson’sche Wolkenkammer bezeichnet wird. Normalerweise wird eine Nebelkammer mit Ethanol (Ethanol, auch Alkohol , Ethylalkohol und Trinkalkohol genannt, ist die Hauptart von Alkohol in alkoholischen Getränken) Dampf gefüllt. Funktionsprinzip der Nebelkammer. Ein geladenes Partikel tritt in die Kammer ein und durchströmt das Füllgas. Einzelne Atome des Gases werden ionisiert, was zu einer sichtbaren Kondensationsspur führt, die auch als Kernspur bezeichnet wird. Das geladene Teilchen wird durch ein elektri

sches oder magnetisches Feld (Ein Magnetfeld ist die magnetische Wirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Materialien) in der Kammer abgelenkt, und die sichtbare Spur des Teilchens biegt sich in eine bestimmte Richtung. Das resultierende Bild – das Kernspurbild – wird unter geeigneter Beleuchtung aufgenommen. Mit Hilfe dieses Fotos können nun Aussagen über die Beschaffenheit des Teilchens, seine Ladung, seine Masse und einige andere Eigenschaften des Teilchens getroffen werden. Im Gegensatz zur Nebelkammer (Die Nebelkammer, auch Wilson-Kammer genannt, ist ein Partikeldetektor zum Nachweis ionisierender Strahlung) ist die Blasenkammer nicht mit einem Gas, sondern mit einer Flüssigkeit gefüllt. Eine häufig verwendete Füllflüssigkeit ist flüssiger Wasserstoff. Dadurch wird sichergestellt, dass die Temperatur der Füllflüssigkeit höher ist als ihre Siedetemperatur (der Siedepunkt wird durch Absenken des Drucks gesenkt). Jetzt ist die Kammer empfindlich gegen eintreffende geladene Partikel. Wenn ein geladenes Partikel die Kammer passiert, verliert es auch durch den Ionisationsverlust Energie und bildet eine sichtbare Dampfblasenspur in der Flüssigkeit. Analog zur Nebelkammer befindet sich auch ein elektromagnetisches oder magnetisches Feld in der Blasenkammer (Eine Blasenkammer ist ein mit einer überhitzten transparenten Flüssigkeit gefülltes Gefäß, mit dem elektrisch geladene Partikel, die sich durch sie bewegen, erfasst werden), das die geladenen Partikel zur Bestimmung ihrer Ladung ablenkt. Das entstehende Bild wird dann beleuchtet und entsprechend fotografiert. Gasgefüllte Ionisationsdetektoren Der Funkenzähler ist der einfachste Vertreter der Gruppe der gasgefüllten Ionisationsdetektoren. Es wurde in den 1920er Jahren von Heinrich Greinacher entwickelt und ist meist mit einer Mischung aus Ethanol und Argon gefüllt. Der Funkenzähler dient zum Nachweis von ionisierender Strahlung (ionisierende Strahlung ist Strahlung, die genügend Energie trägt, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu befreien und sie dadurch zu ionisieren) durch Funkenüberschlag zwischen zwei geladenen Platten. Funktionsprinzip des Funkenmessers: Der Funkenzähler ist im Prinzip nichts anderes als ein mit einem neutralen Gas gefüllter Plattenkondensator (wobei der Abstand zwischen den Kondensatorplatten sehr eng gewählt wird). An die Platten wird eine Hochspannung angelegt, die bewirkt, dass sich im Inneren des Kondensators viele Ionen bilden (ein Kondensator ist eine passive zweipolige elektrische Komponente, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert), die durch Schlag-Ionisation entsteht. Wenn ein geladenes Teilchen durch das Gas strömt, entsteht ein Funke zwischen den Kondensatorplatten. Dieser elektrische Impuls wird von einem Zähler registriert und es ist möglich zu bestimmen, wann und wie viele Partikel den Detektor passiert haben, aber nicht welche. Die Ionen wandern dann entlang der Spannung und lösen weitere Ladungsträger wie Lawinen aus. Es kommt dann zu einem Funkenüberschlag zwischen benachbarten Platten. Dadurch wird die Trajektorie der geladenen Partikel als Lichtspur sichtbar, weshalb die Funkenkammer auch als Spurendetektor gezählt werden kann. Entwickelt wurde die Drahtkammer von Georges Charpak am CERN, der 1992 den Nobelpreis für Physik erhielt. Mit diesem Detektor werden ionisierende Strahlung und die Trajektorie der jeweiligen Partikel erfasst. Passiert ein Partikel in der Nähe eines Drahtes, wird das Gas dort ionisiert, was zu einem elektrischen Strom zwischen dem Draht und einer Gegenelektrode (Platten = Kathode; P) führt. An jedem Draht ist ein Verstärker (A) angebracht, der es ermöglicht, die Trajektorie der Partikel durch Vergleich der elektrischen Impulse an den Verstärkern zu bestimmen (das Partikel ist dem Draht am nächsten, in dem der größte Strom entsteht). Der entscheidende Vorteil der Drahtkammer gegenüber der Nebel- oder Blasenkammer besteht darin, dass die von der Drahtkammer gelieferten Daten (Eine Mehrdraht-Proportionalkammer ist eine Art Proportionalzähler, der geladene Partikel und Photonen erkennt und durch Verfolgung der Spuren der gasförmigen Ionisation Positionsinformationen über ihre Bahn geben kann) elektronisch ausgewertet werden können, d.h. ein Foto ist nicht erforderlich und die Auswertung ist genauer. Darüber hinaus können in einer Drahtkammer mehr Ereignisse pro Zeiteinheit aufgezeichnet werden. Strahlung und geladene Partikel lösen Ladungsträger in Halbleitern aus, die dann als elektrisches Signal (z.B. mit einem Transistor) verstärkt und ausgewertet werden. Halbleiterdetektoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in der Teilchenphysik oder als lichtempfindliche Sensoren in modernen Digitalkameras. Szintillation/Szintillatoren: Szintillation ist ein Effekt, der auftritt, wenn radioaktive Strahlung auf bestimmte Materialien (Szintillatoren, z.B. Kristalle) trifft. Wenn eine solche Strahlung auf einen Szintillator trifft (Ein Szintillator ist ein Material, das eine Szintillation aufweist – die Eigenschaft der Lumineszenz, wenn es durch ionisierende Strahlung angeregt wird), setzt er die Energie der Strahlung in Form von Photonen frei, d.h. es wird ein Lichtblitz erzeugt. Mit Hilfe dieses Effekts können Rückschlüsse auf die abgeschiedene Energie der Strahlung gezogen werden (Messung z.B. mit einer Photokathode (Eine Photokathode ist eine negativ geladene Elektrode in einem Lichtdetektionsgerät wie einem Photomultiplier oder einer Fototube, die mit einer lichtempfindlichen Verbindung beschichtet ist))). Durch den photoelektrischen Effekt werden dann in der Photokathode (2) Elektronen freigesetzt. In den Dynoden (3) werden diese Elektroden verstärkt (= Stromverstärkung). Abschließend wird der Stromimpuls an der Anode (4) genommen und gemessen. Der so gemessene Strom entspricht in etwa der Energie der in den Szintillator eintretenden y-Strahlung.