MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Die drei wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen

MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011

Die drei wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen


1. Germanium-Detektoren

Wechselwirkung im Ge Kristall: Photoeffekt (niedrige Energie) Compton Streuung (mittlere Energie) Paarerzeugung e+e- (hohe Energie)

Valenzband

Leitungsband

0.7 eV 3 eV

Zahl der Elektronen-Loch Paare für 1 MeV, N = 106 / 3 = 3 105

γEkeV8.10018.0 NNlösungEnergieauf

Wechselwirkung im Ge Kristall: Photoeffekt (niedrige Energie) Compton Streuung (mittlere Energie) Paarerzeugung von e+e- (hohe Energie)


Compton unterdrückte Germanium-Detektoren

Wechselwirkung im Ge Kristall: Photoeffekt (niedrige Energie) Compton Streuung (mittlere Energie) Paarerzeugung e+e- (hohe Energie)

peak-to-total ratio unsuppressed P/T~0.15 Compton suppressed P/T~0.6


EUROBALL (Legnaro / Strasbourg)

15 seven-foldCluster detectors

26 four-foldClover detectors

30 coaxialdetectors


Probleme beim Nachweis der γ-Strahlung

keVE 2

nach Doppler-shift Korrektur1. bewegte γ-Quelle 2. gleichzeitige Emission vieler γ-Quanten→ γ-Ereignisse werden falsch addiert

Lösung: elektrisch segmentierte Detectoren

kleiner Öffnungswinkel gutes Tracking der γ-Strahlung


Gamma-Ray Tracking

Compton Streuung

Pulsform-Analyse von 37 Signalen

→ (x, y, z, t, E)



2. Silizium-Detektoren

Ionisation des Detektormaterials (Bethe-Bloch-Gleichung) → Erzeugung von freien Ladungsträgern

Ladungssammlung in einem elektrischen Feld

Elektronische Verstärkung und Registrierung des Signals

Anzahl der erzeugten Ladungsträger ist proportional der deponierten Energie. → Energiemessung (Spektroskopie)

Segmentierung der Elektroden oder Messung der Driftzeit erlaubt Ortsauflösung

Das Prinzip des Teilchennachweises

α-Teilchen


Prinzip eines Microstrip-Detektors


Wiederholung: Bändermodell

Materialeigenschaften


Dotierung am Beispiel von SiBei Einbau eines 5-wertigen Atoms (P, As, Sb) in ein Kristallgitter aus 4-wertigen Si-Atomen bleibt das 5. Valenzelektron des Fremdatoms ohne Bindungspartner. Donator, n-Dotierung

Bei Einbau eines 3-wertigen Atoms (B, Al, Ga, In) in ein Kristallgitter aus 4-wertigen Si-Atomen kann eine Bindung eines angrenzenden Si-Atoms nicht abgesättigt werden. Akzeptor, p-Dotierung


Der p-n ÜbergangBringt man einen n- und einen p-Leiter in Kontakt, so muß im thermischen Gleichgewicht die Fermi-Energie identisch sein. Die Anpassung der zuvor unterschiedlichen Fermi-Niveaus wird erreicht durch die Diffusion der jeweiligen Majoritäts-ladungsträger in den anders dotierten Bereich. Dadurch baut sich am Übergang eine Raumladung auf, welche das weitere Eindringen von e- und Löchern in die Übergangszone verhindert. Es entsteht somit ein stabiler ladungsträgerfreier Bereich (Verarmungszone). E


3. Schema eines einfachen Gasdetektors

Wichtige Kenngrößen:

mittlerer Energieverlust dE/dx mittleres effektives Ionisationspotenzial pro Hüllenelektron Energieverlust pro erzeugten Elektron-Ion Paares mittlere Anzahl der primären und der gesamten Elektron-Ion Paaren Stoßionisation: wichtig für die Gasverstärkung des Detektors Wirkung elektronegativer Gase: wichtig für die Nachweiswahrscheinlichkeit Diffusion: beeinflußt die Ortsauflösung des Detektors


Gas-Ionisations-Zähler (Arbeitsbereiche)

Neben der Detektorgeometrie und der Wahl des Zählgases bestimmt die angelegte Hochspannung wesentlich den Betriebsmodus eines Gasdetektors.

Man kann in Abhängigkeit von der externen Hochspannung bestimmte Arbeitsbereiche angeben.

Rekombinationseffekte Ionisationsbereich Gasverstärkung: e- Energie > Ionisationsenergie

Proportionalbereich < 600 V Multiplikation ist linear Größere Spannung > 600 V Multiplikation wird nichtlinear Raumladung der pos. Ionen

Geiger-Müller Bereich Positive Raumladung begrenzt E-Feldstärke, keine weitere Verstärkung, gleiche Amplitude Entladungsbereich

Typisches Gas P10: 90% Ar und 10% CH4


Ionisationskammer

Eine ideale Ionisationskammer wird in dem Spannungsbereich betrieben, in welchem einerseits die erzeugte Ladung vollständig gesammelt wird, andererseits aber noch keine Sekundärionisation stattfindet (also keine Gasverstärkung).Für elektr. Feldstärken von 500 V/cm und für typische Driftgeschwindigkeiten erhält man bei 10 cm Driftstrecke Sammelzeiten für e- von 2 μs und für Ionen von etwa 2 ms.

Bildfolge:Signal für ein e--Ion Paar in einer planaren Ionisationskammer

Das Signal wird durch die Bewegung der Elektronen und Ionen im elektrischen Feld induziert.


Proportionalzähler

Proportionalzähler nutzen Gasverstärkung durch Sekundärionisation für die Signal-erzeugung.Die dafür übliche Geometrie ist eine zylindrische Kathode mit zentralem Anodendraht. Das dabei entstehende E-Feld ist ~1/r, d.h. in nächster Umgebung vom Anodendraht treten lokal sehr hohe Feldstärken auf. Für r ≤ rkrit sind Sekundär-ionisation möglich

Querschnitt durch ein Proportionalzählrohr und elektrische Feldstärke E in Abhängigkeit vom Abstand zum Anodendraht.


Proportionalzähler

Durch Primärionisation erzeugte Elektronen driften auf den Anodendraht zu und gelangen so in Bereiche hoher lokaler Feldstärke.

Sobald die elektrische Feldstärke Ekrit übersteigt, kommt es zur Sekundärionisation. Infolgedessen bildet sich in der Nähe des Anodendrahtes eine Ladungslawine aus.

Die dabei erzeugten Elektronen driften schnell auf den Anodendraht zu und werden dort abgeleitet, während die Ionen sich langsam vom Anodendraht entfernen und zur Kathode wandern.


Vieldraht-Proportionalkammer MWPC

Georges Charpak


Vieldraht-Proportionalkammer (x-y)

Will man eine zweidimensionale Ortsbestimmung, so kann man dies durch Segmentierung der Kathode erreichen. Die Kathode kann dann z.B. durch parallele Streifen, rechteckige Kathodenplättchen („pads“) oder als Lage von gespannten Drähten ausgeführt sein.


Zeitprojektionskammer TPC

Prinzip: Im Gasvolumen erzeugte e- driften zu den Endflächen. Die dortigen Detektoren (MWPCs) messen den Ort und die Ankunftszeit der e-, wodurch ein 3-dim. Bild der Teilchenspur rekonstruiert werden kann.


4. Szintillationsdetektoren

Organische Szintillatoren: Anorganische Szintillatoren:

Plastik-Szintillatoren NaI, CsI, BaF2, BGO

Bei Szintillatoren handelt es sich um Materialien in denen die einfallende Strahlung Elektronen in energetisch höhere Zustände anregt, die durch Emission von Licht abgeregt werden. (mittlerer Energieverlust, welcher zur Erzeugung eines Photons nötig ist: Anthracen C14H10 60eV, Plastik 100 eV, NaI 25 eV, BGO 300 eV)


Szintillator-Lichtleiter-Photomultiplier

Lichtleiter:Photomultiplier sind oft über Lichtleiter an den Szintillator gekoppelt.Grundprinzip: Totalreflektion an der Oberfläche des LichtleitersEffizienz des Lichtleiters wird limitiert durch Winkel für Totalreflexion.

Szintillatorplatte mitangeklebtem PMMA-Lichtleiter und einer Eichquelle für ein Gammastrahlen-Experiment.


Photovervielfacher-Röhren

Umwandlung von Licht inelektrisches Signal.

Quanteneffizienz einer typischen Photokathode: 30%

Nachweis von Szintillations-und Tscherenkow-Licht

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