Strahlung aus dem All

Report
Strahlung aus dem All
Markus Friedl (HEPHY Wien)
Klub A.L.F.
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
Inhalt
Kosmische Strahlung
Die Anfänge der Radioaktivität
Entdeckung durch Victor Hess
Entstehung und Auswirkungen
Detektoren
Ionisations- & Funkenkammer
Szintillator & Photomultiplier
Zusammenfassung
Praktische Messungen
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Strahlung aus dem All
Kosmische Strahlung
Die Anfänge der Radioaktivität
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Strahlung aus dem All
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
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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
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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
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Strahlung aus dem All
Terrestrische Strahlung – Radon (2)
• Schon früh Heilwirkung zugeschrieben, aber
naturwissenschaftlich NICHT nachgewiesen
• Jährliche Strahlendosis:
–
–
–
–
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Wien ~0.5mSv/a (~ österreichischer Durchschnitt)
Badgastein (Stolleneingang) ~1mSv/a
Heidenreichstein ~1.4mSv/a
Ramsar (Iran) ~200mSv/a (heiße Quellen)
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Kosmische Strahlung
Entdeckung durch Victor Hess
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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
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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!
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Meßprotokoll vom 7. August 1912
Mittlere Höhe
Beob.
Nr.
Zeit
absolut
[m]
relativ
[m]
Beobachtete Strahlung [ J ]
App. III
Temperatur
[°C]
Relative
Feuchtigkeit
[%]
App. I
qI [ J ]
App. II
qII [ J ]
qIII[ J ]
qIIIred[ J ]
17.3
12.9
-
-
-
-
15.9
11.9
18.4
18.4
-
-
15.8
11.2
17.5
17.5
-
-
1
15:1516:15
2
16:1517:15
3
17:1518:15
4
06:4507:45
1700
1400
15.8
14.4
21.1
25.3
+ 6.4
60
5
07:4508:45
2750
2500
17.3
13.3
22.5
31.2
+1.4
41
6
08:4509:45
3850
3600
19.8
16.5
21.8
35.2
- 6.8
64
7
09:4510:45
44005350
(4800)
4700
40.7
31.8
-
-
- 9.8
40
8
10:4511:15
4400
4200
28.1
22.7
-
-
-
-
9
11:1511:45
1300
1200
(9.7)
(11.5)
-
-
-
-
10
11:4512:10
250
150
11.9
10.7
-
-
+ 16.0
68
11
12:2513:12
140
0
15.0
11.6
-
-
+18.0
76
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Anmerkungen
Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in
Wien
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Strahlung aus dem All
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"
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Kosmische Strahlung
Entstehung und Auswirkungen
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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?
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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
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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
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 = 2.7
= 3.0
(Knie)
< 3
(Knöchel)
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Reaktionen in der Atmosphäre (1)
• Aufschauern in der
Atmosphäre
• Atmosphären-Tiefe in
WechselwirkungsLängen:
– Elektronen: 27
– Hadronen: 11
• Kaskaden ab
15~20km Höhe
• 1 Proton mit 1015eV
erzeugt >1 Million
Sekundärteilchen
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Strahlung aus dem All
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%
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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· = 105.7 MeV · 15 ~ 1.6 GeV
• Daraus folgt: Solare KS gelangt kaum auf Erdoberfläche
• Auf Meeresniveau vor allem galaktische KS
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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
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Winkel-Abhängigkeit
• Je flacher der Winkel, desto länger ist die Atmospäre
• Höhere -Zerfallswahrscheinlichkeit  geringere Rate
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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)
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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 t ~5730 a
1/2
• Bestimmung des Alters über
Messung von 14C/12C-Verhältnis
• Anwendungsbereich:
300…60000 Jahre
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Detektoren
Ionisations- & Funkenkammer
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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
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Ionisationskammer – Eigenbau
• Grundsätzlich sehr einfacher Aufbau
• Anleitungen im Web, z.B.
http://www.techlib.com/science/ion.html
• Pringles-Dose als Ionisationskammer?
• Outreach-Projekt am HEPHY
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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
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Strahlung aus dem All
Funkenkammer
• In der Praxis wird
Hochspannung
nur angelegt,
wenn gerade ein
Teilchendurchtritt
passiert
• Messung mittels
Szintillatoren
und
elektronischer
Steuerungslogik
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Detektoren
Szintillator & Photomultiplier
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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)
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Strahlung aus dem All
Typische Anwendung: Trigger
• „Trigger“ einer
Funkenkammer
• Szintillatoren
messen instantan
Teilchendurchgang
und aktivieren die
Steuerlogik, welche
die Hochspannung
einschaltet
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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:
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Strahlung aus dem All
Photomultiplier (PM)-Röhren (1)
• Photon schlägt Elektron aus Photokathode (Photoeffekt)
• Dynoden mit steigendem Potential beschleunigen
Elektronen und erzeugen weitere Sekundärelektronen
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PM-Röhren (2)
• Verschiedenste Größen und Bauarten
• Verstärkung abhängig von Anzahl der Dynoden
– Größenordnung ~106...107
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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 cm2, Verstärkung ~100
• Betriebsspannung < 500 V
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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
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Strahlung aus dem All
Vergleich der Photodetektoren
Röhre
APD
SiPM
Verstärkung
106…107
~100
105…106
Betriebsspannung
1…2 kV
300…500 V
<100 V
<200 cm2
<100 mm2
~1 mm2
Dunkelrate
~1 kHz
-
~1 MHz
Photon Efficiency
~30%
~80%
~50%



Aktive Fläche
Magnetfeld-Toleranz
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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)
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Strahlung aus dem All
Zusammenfassung
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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 (<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
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Strahlung aus dem All
Praktische Messungen
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Meßaufbau
Elektronik
Photomultiplier
Szintillatoren
PC
HV-Supply
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Strahlung aus dem All
Anordnung der Szintillatoren
wird heute nicht
verwendet
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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
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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
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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
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Strahlung aus dem All
Myonen-Experiment auf der TU (made at HEPHY)
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Strahlung aus dem All
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit.

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