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Strahlung aus dem All

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

  2. Inhalt KosmischeStrahlung Die AnfängederRadioaktivität Entdeckungdurch Victor Hess Entstehung und Auswirkungen Detektoren Ionisations- & Funkenkammer Szintillator & Photomultiplier Zusammenfassung PraktischeMessungen Markus Friedl (HEPHY Wien)

  3. KosmischeStrahlung Die AnfängederRadioaktivität Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

  5. Forschung in Wien • 1910: InstitutfürRadiumforschungderkaiserlichenAkademiederWissenschaften in Wien gegründet (1090 Wien, Boltzmanngasse 3) • WeltweiterstesInstitutzurErforschungderRadioaktivität • ErsterDirektorStefan Meyer, Assistent Victor Hess • SpäterInstitutfürMittelenergiephysik, heuteStefan Meyer InstitutfürsubatomarePhysik • VereinigungmitHEPHYgeplant Markus Friedl (HEPHY Wien)

  6. TerrestrischeStrahlung – Radon (1) • Uran-Radium-Zerfallsreihe: • 238U  …  230Th  226Ra 222Rn  …  206Pb • SpurendavonimGestein (besonders Granit) • Radon (Edelgas) diffundiert an Oberfläche mSv/a Markus Friedl (HEPHY Wien)

  7. TerrestrischeStrahlung – Radon (2) • SchonfrühHeilwirkungzugeschrieben, abernaturwissenschaftlich NICHT nachgewiesen • JährlicheStrahlendosis: • Wien ~0.5mSv/a (~ österreichischerDurchschnitt) • Badgastein (Stolleneingang) ~1mSv/a • Heidenreichstein ~1.4mSv/a • Ramsar (Iran) ~200mSv/a (heißeQuellen) Markus Friedl (HEPHY Wien)

  8. KosmischeStrahlung • Entdeckungdurch Victor Hess Markus Friedl (HEPHY Wien)

  9. Victor Franz Hess (1) • Geboren 1883 in Deutschfeistritz (Steiermark) • Assistent von Stefan Meyer am InstitutfürRadiumforschung • 1912: EntdeckungderHöhenstrahlung • 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  10. Victor Franz Hess (2) • MessungenderRadioaktivitätmitBallonflügenbis 5km • Basierend auf Arbeiten von Karl Bergwitz 1908 • 7. August 1912: EntdeckungderHöhenstrahlung • 2012: 100-Jahr-Jubiläum! Markus Friedl (HEPHY Wien)

  11. Meßprotokoll vom 7. August 1912 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  12. 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“kosmischeStrahlung” • Nobelpreis 1936 "for his discovery of cosmic radiation" Markus Friedl (HEPHY Wien)

  13. KosmischeStrahlung • Entstehung und Auswirkungen Markus Friedl (HEPHY Wien)

  14. PrimäreKosmischeStrahlung (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? Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

  16. 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 • = 3.0 (Knie) • < 3 • (Knöchel) Markus Friedl (HEPHY Wien)

  17. Reaktionen in derAtmosphäre (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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  18. Reaktionen in derAtmosphäre (2) • Typische Reaktionen: • 0   +  • +  + +  • -  - +  • Analog fürgeladeneKaonen • ZerfallderMyonen: • +  e+ + e +  • -  e- + e +  • Durchgroße Masse nurwenigBremsstrahlung • AnteilMyonenan geladenenTeilchenimSchauer: • Luft: ~10% • Meeresniveau: ~80% 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 • ÜberlebenbisErdoberflächenur dank Zeitdilatation und hoherEnergie: s = c·· • BeiEntstehung in 10km Höheist>15 erforderlich, um bis auf Meeresniveauzuüberleben • E = m·c2· = 105.7 MeV· 15 ~ 1.6 GeV • Daraus folgt: Solare KS gelangt kaum auf Erdoberfläche • Auf Meeresniveau vor allem galaktische KS Markus Friedl (HEPHY Wien)

  20. 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

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

  25. 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  26. 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

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

  29. Detektoren • Szintillator & Photomultiplier 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 • VerschiedeneKristalle (z.B. Natriumjodid) oder organische Stoffe (z.B. Plastik-Szintillatoren mit Wellenlängenschieber) Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

  34. PM-Röhren (2) • Verschiedenste Größen und Bauarten • Verstärkung abhängig von Anzahl der Dynoden • Größenordnung ~106...107 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  35. Photomultiplier aus Halbleitern • Herkömmliche PMs haben einige Nachteile (Größe, Hochspannung, Magnetfeld-Empfindlichkeit) • Halbleiter-Dioden knapp vor Lawinen-Durchbruch • APD = AvalanchePhotodiode • Aktive Fläche bis 1 cm2, Verstärkung ~100 • Betriebsspannung < 500 V 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 2 1 3 4 5 6 photoelectrons Markus Friedl (HEPHY Wien)

  37. Vergleich der Photodetektoren Markus Friedl (HEPHY Wien)

  38. 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) Markus Friedl (HEPHY Wien)

  39. Zusammenfassung Markus Friedl (HEPHY Wien)

  40. Zusammenfassung • Anfänge der Radioaktivität um 1900 • Henri Becquerel, Marie & Pierre Curie • InstitutfürRadiumforschungin 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  41. PraktischeMessungen Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

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

  44. 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

  45. 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 Markus Friedl (HEPHY Wien)

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

  47. Myonen-Experiment auf der TU (madeat HEPHY) Markus Friedl (HEPHY Wien)

  48. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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