Markus Friedl (HEPHY Wien)

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1 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Strahlung aus dem All Markus Friedl (HEPHY Wien) Klub A.L.F. 24. Mai 2011

2 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Inhalt Kosmische Strahlung Die Anfänge der Radioaktivität Entdeckung durch Victor Hess Entstehung und Auswirkungen Detektoren Ionisations- & Funkenkammer Szintillator & Photomultiplier Zusammenfassung Praktische Messungen 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

3 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Kosmische Strahlung Die Anfänge der Radioaktivität 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

4 Radioaktivität: Die Anfänge
1896: Radioaktivität (“Uranstrahlen”) von Henri Becquerel entdeckt 1898: Radium von Marie & Pierre Curie entdeckt 1900: Radon (Edelgas, Zerfallsprodukt von Radium) von Friedrich Ernst Dorn entdeckt 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

5 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Forschung in Wien 1910: Institut für Radiumforschung der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien gegründet (1090 Wien, Boltzmanngasse 3) Weltweit erstes Institut zur Erforschung der Radioaktivität Erster Direktor Stefan Meyer, Assistent Victor Hess Später Institut für Mittelenergiephysik, heute Stefan Meyer Institut für subatomare Physik Vereinigung mit HEPHY geplant 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

6 Terrestrische Strahlung – Radon (1)
Uran-Radium-Zerfallsreihe: 238U  …  230Th  226Ra  222Rn  …  206Pb Spuren davon im Gestein (besonders Granit) Radon (Edelgas) diffundiert an Oberfläche mSv/a 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

7 Terrestrische Strahlung – Radon (2)
Schon früh Heilwirkung zugeschrieben, aber naturwissenschaftlich NICHT nachgewiesen Jährliche Strahlendosis: Wien ~0.5mSv/a (~ österreichischer Durchschnitt) Badgastein (Stolleneingang) ~1mSv/a Heidenreichstein ~1.4mSv/a Ramsar (Iran) ~200mSv/a (heiße Quellen) 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Kosmische Strahlung Entdeckung durch Victor Hess 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

9 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Victor Franz Hess (1) Geboren 1883 in Deutschfeistritz (Steiermark) Assistent von Stefan Meyer am Institut für Radiumforschung 1912: Entdeckung der Höhenstrahlung Ab 1919 Professor in Graz Ab 1931 Professor in Innsbruck Messstation am Hafelekar Nobelpreis 1936 1938 emigriert in die USA Gestorben 1964 in Mount Vernon, New York 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Victor Franz Hess (2) Messungen der Radioaktivität mit Ballonflügen bis 5km Basierend auf Arbeiten von Karl Bergwitz 1908 7. August 1912: Entdeckung der Höhenstrahlung 2012: 100-Jahr-Jubiläum! 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

11 Meßprotokoll vom 7. August 1912
Beob. Nr. Zeit Mittlere Höhe Beobachtete Strahlung [ J ] Temper- atur [ ° C ] Relative Feuchtig- keit [ % ] Anmerk- ungen absolut [ m ] relativ [ m ] App. I qI [ J ] App. II qII [ J ] App. III qIII[ J ] qIIIred[ J ] 1 15:15-16:15 156 17.3 12.9 - Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in Wien 2 16:15-17:15 15.9 11.9 18.4 3 17:15-18:15 15.8 11.2 17.5 4 06:45-07:45 1700 1400 14.4 21.1 25.3 + 6.4 60 5 07:45-08:45 2750 2500 13.3 22.5 31.2 +1.4 41 6 08:45-09:45 3850 3600 19.8 16.5 21.8 35.2 - 6.8 64 7 09:45-10:45 (4800) 4700 40.7 31.8 - 9.8 40 8 10:45-11:15 4400 4200 28.1 22.7 9 11:15-11:45 1300 1200 (9.7) (11.5) 10 11:45-12:10 250 150 10.7 + 16.0 68 11 12:25-13:12 140 15.0 11.6 +18.0 76 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Victor Franz Hess (3) Victor Hess, “Über den Ursprung der durchdringenden Strahlung“, Physik. Zeitschr. 14, 610,1913: „Alle diese Tatsachen deuten darauf hin, daß ein sehr großer Teil der durchdringenden Strahlung nicht von den bekannten radioaktiven Substanzen in der Erde und der Atmosphäre herrührt.“ Später “Höhenstrahlung”, heute “kosmische Strahlung” Nobelpreis 1936 "for his discovery of cosmic radiation" 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Kosmische Strahlung Entstehung und Auswirkungen 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

14 Primäre Kosmische Strahlung (KS) (1)
Strahlung, die von außerhalb der Atmosphäre in diese einfällt Je nach Ursprung und Energie: Solare KS (E < GeV) Sonnenwind  Polarlicht Solare Eruptionen: kurzfristige Zunahme Galaktische KS (GeV < E < EeV) Supernova-Explosionen Schwarze Löcher Pulsare Extragalaktische KS (E > EeV) Galaxien? Quasare? 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Primäre KS (2) Zusammensetzung 90% Protonen 9% -Teilchen 1% Elektronen <1% schwerere Kerne Starke Abnahme zu höheren Energien ~ weiter entferntem Herkunftsort 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Primäre KS (3) Häufigkeit N(E)~E-  = 2.7 für E < 4·1015 eV  = 3 für E ~ 4·1015…5·1018 eV  < 3 für E > 1018 eV  >>3 für E > 1020eV GZK-Cutoff: Streuung von höchstenergetischen Protonen an blauverschobenen Photonen Begrenzt E~1020eV Freie Weglänge 160 Mio. Lichtjahre  = 2.7 = (Knie) < 3 (Knöchel) 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

17 Reaktionen in der Atmosphäre (1)
Aufschauern in der Atmosphäre Atmosphären-Tiefe in Wechselwirkungs-Längen: Elektronen: 27 Hadronen: 11 Kaskaden ab 15~20km Höhe 1 Proton mit 1015eV erzeugt >1 Million Sekundärteilchen 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

18 Reaktionen in der Atmosphäre (2)
Typische Reaktionen: 0   +  +  + +  -  - +  Analog für geladene Kaonen Zerfall der Myonen: +  e+ + e +  -  e- + e +  Durch große Masse nur wenig Bremsstrahlung Anteil Myonen an geladenen Teilchen im Schauer: Luft: ~10% Meeresniveau: ~80% 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

19 Myonen und Zeitdilatation
Lebensdauer von + bzw. -:  ~ 2.2 µs Bei Lichtgeschwindigkeit wäre die klassische mittlere Weglänge s = c· ~ 660 m Überleben bis Erdoberfläche nur dank Zeitdilatation und hoher Energie: s = c·· Bei Entstehung in 10km Höhe ist >15 erforderlich, um bis auf Meeresniveau zu überleben E = m·c2· = MeV · 15 ~ 1.6 GeV Daraus folgt: Solare KS gelangt kaum auf Erdoberfläche Auf Meeresniveau vor allem galaktische KS 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Auswirkungen Abhängigkeit der Intensität von der Höhe Durchschnittliche Strahlungsbelastung auf Meeresniveau: Kosmisch ~0.3mSv/a Terrestrisch ~0.5mSv/a Medizinisch ~1.5mSv/a Künstliche Beispiele: Flug Wien-Tokyo ~0.1mSv Ein CT ~20mSv 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Winkel-Abhängigkeit Je flacher der Winkel, desto länger ist die Atmospäre Höhere -Zerfallswahrscheinlichkeit  geringere Rate 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

22 Schauer auf Erdoberfläche
Schauer-Fläche abhängig von der Energie des primären Teilchens Experiment AUGER (Argentinien) besteht aus 1600 Messstationen mit je 1.5 km Abstand Messung von E>1017 eV (=0.1 EeV) 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

23 Radiocarbon-Methode (14C-Datierung)
Neutron aus der KS verwandelt Stickstoff in Kohlenstoff-Isotop: 14N + n  14C + p Lebewesen tauschen ständig C mit Umwelt aus, daher gleiches Verhältnis 14C/12C wie in Luft Nach Tod kein Austausch mehr, 14C zerfällt mit t1/2~5730 a Bestimmung des Alters über Messung von 14C/12C-Verhältnis Anwendungsbereich: 300…60000 Jahre 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Detektoren Ionisations- & Funkenkammer 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Ionisationskammer Historisch ältestes Instrument (z.B. von Victor Hess benutzt) Gasgefülltes Volumen mit elektrischem Feld Durchtretendes Teilchen ionisiert über elektrische Wechselwirkung das Gas Elektrisches Feld saugt Ladungen ab  Strom Spezielle Bauformen, z.B. Geiger-Zähler 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

26 Ionisationskammer – Eigenbau
Grundsätzlich sehr einfacher Aufbau Anleitungen im Web, z.B. Pringles-Dose als Ionisationskammer? Outreach-Projekt am HEPHY 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Funkenkammer Gasgefülltes Volumen mit Platten, die abwechselnd auf Hochspannung und Erde liegen (=elektrisches Feld) Ionisation durch Teilchenspur, Sekundärionisation (Lawineneffekt) bewirkt Funken entlang Spur 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Funkenkammer In der Praxis wird Hochspannung nur angelegt, wenn gerade ein Teilchendurchtritt passiert Messung mittels Szintillatoren und elektronischer Steuerungslogik 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Detektoren Szintillator & Photomultiplier 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

30 Was ist ein Szintillator?
Anregung bei Teilchendurchgang Abgabe der Energie in Form von Licht Sehr schnell: <10 ns Kann daher für zeitkritische Messungen benutzt werden Verschiedene Kristalle (z.B. Natriumjodid) oder organische Stoffe (z.B. Plastik-Szintillatoren mit Wellenlängenschieber) 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

31 Typische Anwendung: Trigger
„Trigger“ einer Funkenkammer Szintillatoren messen instantan Teilchendurchgang und aktivieren die Steuerlogik, welche die Hochspannung einschaltet 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

32 Wie misst man den Lichtblitz?
Üblicherweise Tausende bis Zehntausende Photonen Verbindung über Lichtleiter zu Photomultiplier Szintillator und Lichtleiter sind mit Spiegelfolie eingewickelt, um Totalreflexion zu erreichen Gesamte Anordnung muss völlig lichtdicht verpackt sein, da schon einzelne Photonen des Tageslichts stören würden Typische Anordnung: 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

33 Photomultiplier (PM)-Röhren (1)
Photon schlägt Elektron aus Photokathode (Photoeffekt) Dynoden mit steigendem Potential beschleunigen Elektronen und erzeugen weitere Sekundärelektronen 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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PM-Röhren (2) Verschiedenste Größen und Bauarten Verstärkung abhängig von Anzahl der Dynoden Größenordnung ~ 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

35 Photomultiplier aus Halbleitern
Herkömmliche PMs haben einige Nachteile (Größe, Hochspannung, Magnetfeld-Empfindlichkeit) Halbleiter-Dioden knapp vor Lawinen-Durchbruch APD = Avalanche Photodiode Aktive Fläche bis 1 cm2, Verstärkung ~100 Betriebsspannung < 500 V 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

36 SiPM = Silicon Photomultiplier
Array von vielen parallelen APDs auf einem Chip (Diskretisiertes) „Analog“-Signal je nach Anzahl der einfallenden Photonen Betriebsspannung < 100 V (Geiger-Modus) Messung einzelner Photonen möglich 1 2 3 4 5 6 photo electrons 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

37 Vergleich der Photodetektoren
Röhre APD SiPM Verstärkung 106…107 ~100 105…106 Betriebsspannung 1…2 kV 300…500 V <100 V Aktive Fläche <200 cm2 <100 mm2 ~1 mm2 Dunkelrate ~1 kHz - ~1 MHz Photon Efficiency ~30% ~80% ~50% Magnetfeld-Toleranz   24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Problem Dunkelrate? Thermisches Rauschen: Ein einzelner (Si)PM liefert auch bei völliger Dunkelheit Pulse Trick: Man verwendet 2 (oder mehr) (Si)PMs und verknüpft deren Signale mit logisch UND (Koinzidenz) 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Zusammenfassung 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Zusammenfassung Anfänge der Radioaktivität um 1900 Henri Becquerel, Marie & Pierre Curie Institut für Radiumforschung in Wien (seit 1910) Kosmische Strahlung (KS): Victor Hess (1912, Nobelpreis 1936) Kosmische Strahlung Solare (<GeV), Galaktische (GeV…EeV), Extragalaktische (>Eev) Teilchenschauer in Atmosphäre Hauptsächlich Myonen auf Erdoberfläche Nachweis durch Ionisations- & Funkenkammern Ionisation von Gas bei Teilchendurchgang Moderner: Szintillator & Photomultiplier Erzeugung von Lichtblitzen bei Teilchendurchgang 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Praktische Messungen 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

42 Markus Friedl (HEPHY Wien)
Meßaufbau Elektronik Szintillatoren Photomultiplier PC HV-Supply 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

43 Anordnung der Szintillatoren
wird heute nicht verwendet 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Übung 1 Betrachten der PM-Signale am Oszilloskop Messung der Dunkelrate (+Myonen) der einzelnen PMs in Abhängigkeit der angelegten Hochspannung Vergleich mit der Koinzidenz-Rate 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Übung 2 Messung der Koinzidenz-Rate pro Sekunde mit Zähler Histogrammieren von 100 Messungen Welche Verteilung ergibt sich? Fitten der Verteilung und Bestimmung des relevanten Parameters 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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Übung 3 Messung der Wartezeit zwischen 2 Myonen Histogrammieren von 100 Messungen Welche Verteilung ergibt sich? Fitten der Verteilung und Bestimmung des relevanten Parameters 24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

47 Myonen-Experiment auf der TU (made at HEPHY)
24. Mai 2011 Markus Friedl (HEPHY Wien)

48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.