Teilchendetektoren

Ein Partikeldetektor ist ein Messgerät (ein Messgerät ist eine Vorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe), das zur Detektion von sich bewegenden Molekülen, Atomen, Elementarteilchen oder zur Detektion verschiedener Strahlungen eingesetzt wird.
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 von geladenen sich bewegenden Teilchen verwendet werden (der Nachweis einer elektromagnetischen Wechselwirkung (Elektromagnetismus ist ein Zweig der Physik, der die Untersuchung der elektromagnetischen Kraft, eine Art der physikalischen Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen und Materie beinhaltet) 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 (Charles Thomson Rees Wilson, CH, FRS war ein schottischer Physiker und Meteorologe, der für seine Erfindung der Nebelkammer den Nobelpreis für Physik erhielt) (1869-1959) erfunden, weshalb sie auch Wilsons Nebelkammer genannt wird. In der Regel ist eine Nebelkammer mit Ethanoldampf gefüllt. Funktion

sprinzip 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 in der Kammer herrschendes elektrisches oder magnetisches Feld 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 ist die Blasenkammer nicht mit einem Gas, sondern mit einer Flüssigkeit gefüllt. Eine häufig verwendete Füllflüssigkeit ist flüssiger Wasserstoff. (Flüssigwasserstoff ist der flüssige Zustand des Elements 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 (Die Nebelkammer, auch Wilson-Kammer genannt, ist ein Partikeldetektor zur Detektion ionisierender Strahlung) es gibt auch ein elektromagnetisches oder magnetisches Feld (Ein Magnetfeld ist die magnetische Wirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Materialien) in der Blasenkammer, 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 (Heinrich Greinacher war ein Schweizer Physiker) und ist meist mit einer Mischung aus Ethanol gefüllt (Ethanol, auch Alkohol , Ethylalkohol und Alkoholkonsum genannt, ist die Hauptart von Alkohol in alkoholischen Getränken) und Argon. (Argon ist ein chemisches Element mit Symbol Ar und Ordnungszahl 18) Der Funkenzähler dient zum Nachweis ionisierender Strahlung 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 durch die Stoßionisation viele Ionen im Kondensator bilden. (Schlaxionisation ist der Prozess in einem Material, bei dem ein energetischer Ladungsträger durch die Bildung anderer Ladungsträger Energie verlieren kann) Wenn ein geladenes Teilchen (in der Physik ist ein geladenes Teilchen ein Teilchen mit einer elektrischen Ladung) durch das Gas strömt, entsteht ein Funke zwischen dem Kondensator (Ein Kondensator ist eine passive zweipolige elektrische Komponente, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert) Platten. 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 des geladenen Teilchens als Lichtspur sichtbar, weshalb auch die Funkenkammer (A spark chamber is a particle detector) als Spurendetektor gezählt werden kann. Die Drahtkammer wurde von Georges Charpak (Georges Charpak war ein in Polen geborener, französischer Physiker aus einer polnisch-jüdischen Familie, der 1992 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde) am CERN entwickelt, der 1992 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde (Der Nobelpreis für Physik ist eine jährliche Auszeichnung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften für diejenigen, die die herausragendsten Beiträge für die Menschheit im Bereich der Physik geleistet haben). Dieser Detektor wird verwendet, um ionisierende Strahlung (ionisierende Strahlung ist Strahlung, die genügend Energie trägt, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen freizusetzen und sie dadurch zu ionisieren) und die Trajektorie der jeweiligen Partikel zu erfassen. Wenn ein Partikel in der Nähe eines Drahtes vorbeigeht, wird das Gas dort ionisiert, was zu einem elektrischen Strom (Ein elektrischer Strom ist ein Strom der elektrischen Ladung) zwischen dem Draht und einer Gegenelektrode (Platten = Kathode; (Eine Kathode ist die Elektrode, von der ein herkömmlicher Strom eine polarisierte elektrische Vorrichtung verlässt) 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 (Eine Blasenkammer ist ein mit einer überhitzten transparenten Flüssigkeit gefülltes Gefäß, mit dem elektrisch geladene Partikel, die sich durch sie bewegen, erkannt werden) besteht darin, dass die von der Drahtkammer gelieferten Daten 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 (Ein Transistor ist eine Halbleitervorrichtung zum Verstärken oder Schalten von elektronischen Signalen und elektrischer Leistung) und ausgewertet werden. Halbleiter (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Festkörper mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften) Detektoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. in der Teilchenphysik (Die Teilchenphysik ist der Zweig der Physik, der die Natur der Teilchen untersucht, die Materie und Strahlung bilden), in der Forschung oder als lichtempfindliche Sensoren in modernen Digitalkameras. Szintillation/Szintillatoren: Szintillation (Ein Szintillationszähler ist ein Instrument zum Erfassen und Messen ionisierender Strahlung unter Verwendung der Anregungswirkung einfallender Strahlung auf ein Szintillatormaterial und Erfassen der resultierenden Lichtimpulse) ist ein Effekt, der auftritt, wenn radioaktive Strahlung (in der Physik ist Strahlung die Emission oder Übertragung von Energie in Form von Wellen oder Teilchen durch den Raum oder durch ein Materialmedium) auf bestimmte Materialien (Szintillatoren, z.B. Kristalle) trifft. Trifft diese Strahlung auf einen Szintillator, gibt sie die Energie der Strahlung in Form von Photonen ab, d.h. es entsteht ein Lichtblitz. Mit Hilfe dieses Effekts können Rückschlüsse auf die deponierte Energie der Strahlung gezogen werden (Messung z.B. mit einer Photokathode). Elektronen werden dann in der Photokathode (Eine Photokathode ist eine negativ geladene Elektrode in einer Lichtdetektionsvorrichtung, wie beispielsweise einem Photovervielfacher oder einer Fototube, die mit einer lichtempfindlichen Verbindung beschichtet ist) (2) durch den photoelektrischen Effekt freigesetzt. (Der photoelektrische Effekt oder die Photoionisation ist die Emission von Elektronen oder anderen freien Trägern, wenn Licht auf ein Material fällt) In den Dynoden (3) werden diese Elektroden verstärkt (= Stromverstärkung). Schließlich wird der Stromimpuls an der Anode (Anode ist eine Elektrode, durch die konventioneller Strom in eine polarisierte elektrische Vorrichtung fließt) (4) entnommen und gemessen. Der so gemessene Strom entspricht in etwa der Energie der in den Szintillator eintretenden y-Strahlung (Ein Szintillator ist ein Material, das eine Szintillation aufweist – die Eigenschaft der Lumineszenz, wenn es durch ionisierende Strahlung angeregt wird) .