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

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

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

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

4 Strahlung aus dem All 4Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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

5 Strahlung aus dem All 5Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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

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

7 Strahlung aus dem All 7Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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)

8 Strahlung aus dem All 8Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Kosmische Strahlung Entdeckung durch Victor Hess

9 Strahlung aus dem All 9Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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 emigriert in die USA Gestorben 1964 in Mount Vernon, New York

10 Strahlung aus dem All 10Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Victor Franz Hess (2) Messungen der Radioaktivität mit Ballonflügen bis 5km Basierend auf Arbeiten von Karl Bergwitz August 1912: Entdeckung der Höhenstrahlung 2012: 100-Jahr-Jubiläum!

11 Strahlung aus dem All Meßprotokoll vom 7. August Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Beob. Nr. Zeit Mittlere HöheBeobachtete Strahlung [ J ] Temper- atur [ ° C ] Relative Feuchtig- keit [ % ] Anmerk- ungen absolut [ m ] relativ [ m ] App. I q I [ J ] App. II q II [ J ] App. III q III [ J ]q III red [ J ] 1 15:15- 16: Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in Wien 2 16:15- 17: :15- 18: :45- 07: :45- 08: :45- 09: :45- 10: (4800) :45- 11: :15- 11: (9.7)(11.5) :45- 12: :25- 13:

12 Strahlung aus dem All 12Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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"

13 Strahlung aus dem All 13Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Kosmische Strahlung Entstehung und Auswirkungen

14 Strahlung aus dem All 14Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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?

15 Strahlung aus dem All 15Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Primäre KS (2) Zusammensetzung –90% Protonen –9% -Teilchen –1% Elektronen –<1% schwerere Kerne Starke Abnahme zu höheren Energien ~ weiter entferntem Herkunftsort

16 Strahlung aus dem All 16Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Primäre KS (3) Häufigkeit N(E)~E - = 2.7 für E < 4·10 15 eV = 3 für E ~ 4·10 15 …5·10 18 eV eV >>3 für E > eV GZK-Cutoff: Streuung von höchstenergetischen Protonen an blauverschobenen Photonen –Begrenzt E~10 20 eV –Freie Weglänge 160 Mio. Lichtjahre = 2.7 = 3.0 (Knie) < 3 (Knöchel)

17 Strahlung aus dem All 17Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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 eV erzeugt >1 Million Sekundärteilchen

18 Strahlung aus dem All 18Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 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%

19 Strahlung aus dem All 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·c 2 · = MeV · 15 ~ 1.6 GeV Daraus folgt: Solare KS gelangt kaum auf Erdoberfläche Auf Meeresniveau vor allem galaktische KS 19Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

20 Strahlung aus dem All 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 20Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

21 Strahlung aus dem All Winkel-Abhängigkeit Je flacher der Winkel, desto länger ist die Atmospäre Höhere -Zerfallswahrscheinlichkeit geringere Rate 21Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

22 Strahlung aus dem All 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>10 17 eV (=0.1 EeV) 22Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

23 Strahlung aus dem All Radiocarbon-Methode ( 14 C-Datierung) Neutron aus der KS verwandelt Stickstoff in Kohlenstoff-Isotop: 14 N + n 14 C + p Lebewesen tauschen ständig C mit Umwelt aus, daher gleiches Verhältnis 14 C/ 12 C wie in Luft Nach Tod kein Austausch mehr, 14 C zerfällt mit t 1/2 ~5730 a Bestimmung des Alters über Messung von 14 C/ 12 C-Verhältnis Anwendungsbereich: 300…60000 Jahre 23Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

24 Strahlung aus dem All 24Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Detektoren Ionisations- & Funkenkammer

25 Strahlung aus dem All 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 25Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

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

27 Strahlung aus dem All Funkenkammer Gasgefülltes Volumen mit Platten, die abwechselnd auf Hochspannung und Erde liegen (=elektrisches Feld) Ionisation durch Teilchenspur, Sekundärionisation (Lawineneffekt) bewirkt Funken entlang Spur 27Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

28 Strahlung aus dem All Funkenkammer In der Praxis wird Hochspannung nur angelegt, wenn gerade ein Teilchendurchtritt passiert Messung mittels Szintillatoren und elektronischer Steuerungslogik 28Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

29 Strahlung aus dem All 29Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Detektoren Szintillator & Photomultiplier

30 Strahlung aus dem All 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 30Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Verschiedene Kristalle (z.B. Natriumjodid) oder organische Stoffe (z.B. Plastik-Szintillatoren mit Wellenlängenschieber)

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

32 Strahlung aus dem All 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: 32Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

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

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

35 Strahlung aus dem All 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 cm 2, Verstärkung ~100 Betriebsspannung < 500 V 35Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

36 Strahlung aus dem All 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 36Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai photo electrons

37 Strahlung aus dem All Vergleich der Photodetektoren RöhreAPDSiPM Verstärkung10 6 …10 7 ~ …10 6 Betriebsspannung1…2 kV300…500 V<100 V Aktive Fläche<200 cm 2 <100 mm 2 ~1 mm 2 Dunkelrate~1 kHz-~1 MHz Photon Efficiency~30%~80%~50% Magnetfeld-Toleranz 37Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

38 Strahlung aus dem All 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) 38Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

39 Strahlung aus dem All 39Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Zusammenfassung

40 Strahlung aus dem All 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 ( 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 40Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

41 Strahlung aus dem All 41Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011 Praktische Messungen

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

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

44 Strahlung aus dem All 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 44Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

45 Strahlung aus dem All 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 45Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

46 Strahlung aus dem All Übung 3 Messung der Wartezeit zwischen 2 Myonen Histogrammieren von 100 Messungen Welche Verteilung ergibt sich? Fitten der Verteilung und Bestimmung des relevanten Parameters 46Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011

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

48 Strahlung aus dem All Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.


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