Cherenkov - Detektoren

1. Cherenkov - Detektoren Ein Vortrag von Jan München

2. Übersicht • Historie • Cherenkov-Strahlung • Cherenkov-Detektoren • Anwendungen

3. Pierre und Mary Curie um 1900 • Pierre und Mary Curie studierten die radioaktive emission, als sie diesen Strahlungs-Typen endeckten.

4. Mallet 1926 • Ein erster Versuch dieses Phänomen zu verstehen • Licht wird von zahlreichen transparenten Medien emittiert, wenn sie sich nahe bei radioaktiven Quellen befinden • Das Spektrum der Strahlung ist kontinuierlich • Mallet war nicht in der Lage die Ursache der Strahlung zu finden

5. Pavel A. Cherenkov • P.A. Cherenkov wurde 1904 in Voronez geboren • 1940 Doktor in Physico-Mathematical Sciences • 1953 Professor in Experimental Physik

6. Pavel A. Cherenkov • 1934 hat er für S.I. Vavilov gearbeitet • Er beobachtete die Emission von blauem Licht, welches durch radioaktiven Beschuss von Wasser hervorgerufen wurde • 1958 zusammen mit Professor Frank und Akademiker Tamm Nobelpreis in Physik

7. Frank und Tamm • Prof. Frank entwickelte eine Theorie, auf den Grundlagen der klassischen Elektrodynamik • Beide erklärten die Einzelheiten des Phänomens

8. Nobelpreis in Physik Pavel A. Cherenkov Akademiker Tamm Prof. Frank

9. Cherenkov-Strahlung / Übersicht • Wie entsteht Cherenkov-Strahlung? • Der Cherenkov-Winkel • Intensität der abgestrahlten Strahlung • Das Spektrum der Cherenkov-Strahlung

10. Ein geladenes Teilchen strahlt immer dann Licht ab, wenn es in Materie schneller ist als Licht in dieser Materie. Wie entsteht Cherenkov-Strahlung? Die Emission von Cerenkov-Licht setzt also erst bei einer Teilchengeschwindigkeit von b = 1/n ein.

11. Beschreibung der Cherenkov-Strahlung Für die Grenzenergie ergibt sich: Beispiel: Radiatormedium: Aerogel Für einen Brechungsindex von n = 1.015 ist gthres = 5.84 3,5 GeV Pions: g = 24.2 3,5 GeV Protons: g = 2.86 In diesem Fall produzieren also nur die Pionen Cherenkov-Licht!

12. Der Cherenkov Winkel gibt den halben Öffnungswinkel des emittierten Lichtkegels an. Aus den Maxwell-Gleichungen ergibt sich folgende Formel, die die Abstrahlung beschreibt: Der Cherenkov-Winkel Für b = 1 ergibt sich für den Maximalen Winkel:

13. Der Cherenkov-Winkel Der Cherenkov-Winkel wird zB. mit einem DIRC-Zähler gemessen. Als Ergebnis erhält man zB. die Seperation von Pion und Proton.

14. Intensität der abgestrahlten Strahlung Für n = n(w) = n0 ergibt sich für folgenden Wellenlängenbereich:

15. Intensität der abgestrahlten Strahlung • Voraussetzung für den Teilchennachweis mit C-Strahlung ist, dass die angeregten Atome kein Szintillationslicht emittieren • Eine Mindestanzahl von emittierten C-Photonen ist Vorraussetzung für eine b-Messung eines geladenen Teilchens • C-Photonen werden statistisch emittiert • Fluktuationen können mit der Poisson-Statistik beschrieben werden

16. Intensität der abgestrahlten Strahlung Die Wahrscheinlichkeit, kein Cherenkov-Photon nachzuweisen, wird durch folgende Formel beschrieben: Qn = Q/Qmax Nn Relative Zahl der Photonen als Funktion der Teilchenenergie Nachweiswahrscheinlichkeit für ein Cherenkov-Photon:

17. Typische Werte n Qc dN/dx bth*gth H2 1 + 0,14*10-3 0,96° 0,32 59,8 N2 1 + 0,3*10-3 1,4° 0,7 40,8 Freon 13 1 + 0,72*10-3 2,2° 1,7 26,3 Plexiglas 1,49 47,8° 630 0,91 Aerogel 1,005 …1,05 11,4° … 17,8° 45 … 107 3 … 5

18. Cherenkov-Winkel gegen Teilchenimpuls

19. Das Spektrum der Cherenkov-Strahlung

20. 50 % Lichtgeschwindigkeit im Medium

21. 90 % Lichtgeschwindigkeit im Medium

22. Schneller als Lichtgeschwindigkeit im Medium

23. Analogon zum Cherenkov-Licht, der „Sonic Boom“

24. Cherenkov-Licht • Nur von geladenen Teilchen erzeugt • Schneller als Licht  konstruktive Interferenz • Langsamer a. Licht  destruktive Interferenz • Cherenkov-Strahlung ist polarisiert

25. Cherenkov-Detektoren / Übersicht • Schwellen-Cherenkov-Zähler • Differentieller Cherenkov-Zähler (DISC) • Abbildender Cherenkov-Zähler (DIRC) • Ring-Imaging-Cherenkov-Hodoscope (RICH) • Fokussierender Cherenkov-Zähler

26. Schwellen-Cherenkov-Zähler • Mehrere Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes • Cherenkov Licht wird bei verschiedenen Teilchen nicht in jedem Material erzeugt • Dadurch Unterscheidbarkeit zwischen Teilchen • In Kombination mit einer Impulsmessung im Magnetfeld, kann ein solcher Detektor zur Geschwindigkeits- und somit zur Massenbestimmung verwendet werden

27. Beispiel 1

28. Schwellen-Cherenkov-Zähler Probleme beim Schwellen-Zähler sind: - d-Elektronen, erzeugt durch Teilchen mit b < bth, können leichtes Teilchen vortäuschen • Szintillationslicht Das Verhalten am Schwellenbereich ist besonders wichtig. Durch Szintillierendes Material auf der Kathode wird die effektive Zahl der Photoelektronen erhöht. Man erreicht dadurch: • Hohe Gesamtnachweiswahrscheinlichkeit • Scharfer Anstieg der Nachweiswahrscheinlichkeit im Schwellenbereich

29. Differentieller Cherenkov-Zähler (DISC) • Beim differentiellen Cherenkov-Zähler wird die Tatsache ausgenutzt, dass für Teilchen mit gegebenem Impuls der Cherenkov-Winkel ein Maß für die Teilchengeschwindigkeit b ist • Richtung und Impuls des Primärteilchens müssen bekannt sein • Der skizzierte Zähler kann also nur im Primärstrahl eingesetzt werden • Kreisförmige Blende • Ortsfeste Photomultiplier

30. Auflösung (DISC) Erreichbare Auflösung eines DISC-Zählers: • Die Auflösung wird durch folgende Effekte beeinflusst: • chromatische Fehler • optische Fehler • geometrische Fehler

31. Zeitsignal (DISC) Ein DISC-Zähler liefert ein sehr gut definiertes Zeitsignal. d sei der Abstand des Detektors von der Teilchenbahn. Es ergibt sich für Dt: Die verschiedenen Öffnungswinkel wegen der Dispersion n = n(w)

32. Beispiel 2 Ar-Gas Q1(4 eV) = 1.341° Q2(8 eV) = 1.496° d = 1m Dt = 9*10-12s tph = 10-10s Für den Fall das man genügend Licht erzeugt, liefert der Cherenkov- Zähler also ein hervorragendes Zeitsignal. Einschränkung nur durch die Zeitauflösung des Photomultipliers tph.

33. Abbildender Cherenkov-Zähler (DIRC) • Detection of Internally Reflected Cerenkov light • Das in Quarzglas erzeugte Cherenkov Licht wird durch Totalreflektion im Radiatormedium zu Nachweisgeräten geleitet DIRC-Zähler (schematisch)

34. Event Screen eines DIRC-Zählers Je nach Auftreffwinkel der Teilchenspuren auf dem Radiator variieren die in der Detektorebene abgebildeten Kurven des C-Lichtes Aufgrund der Kurvenform, der Photonenlaufzeit und der Intensität des Lichtes, kann auf die Teilchenmasse geschlossen werden Abgebildete Cherenkov-Kegel auf auf einer zylindrischen Detektorfläche a) Qd = 60° Azimuthalwinkel 90°

35. Zahl der Photoelektronen (DIRC) d = Dicke des Radiators in radialer Richtung (1 cm - 10 cm) N0 = Qualitätsfaktor des C-Lichtes QC = C-Winkel Qd = Winkel zwischen Teilchenspur und Normaler auf dem Radiator e = totale Licht-Sammel-Effizienz • e ist abhängig von der: • geometrischen Effizienz des Lichttransportes • (Abhängig von Qd und vom Azimuthalwinkel) • - Abdeckung der Detektorebene durch sensitive Photomultiplierfläche

36. Ring-Imaging-Cherenkov-Hodoscope (RICH) • Anstelle von einer Kreisförmigen Blende und ortsfesten Photomultipliern wie beim DISC-Zähler tritt ein aktives Element • zB. Vieldrahtproportionalkammer • Diese wird mit einem geeignetem Aktivator (ENA, TMAE) sensitiv auf UV-Photonen gemacht • Gemessen wird der Radius r • Ist für b in der nähe der Schwelle ein Maß für die Geschwindigkeit • Der heute am meisten eingesetzte Cherenkov-Zähler

37. Auflösung (RICH) mit Man erhält für N nachgewiesene Photonen folgende Formel:

38. Impuls (RICH) Bis zu wechem Impuls kann man mit einem RICH-Zähler Teilchen trennen? Um dies zu überprüfen, setzten wir folgendermaßen an: Geschwindigkeitsunterschied: Setzt man nun als Zahl der gefordeten Standartabweichungen, erhält man, für den Maximalen Impuls bei dem Teilchen noch getrennt werden können, folgende Formel:

39. Event Display eines RICH Nachweis zweier Teilchen die den HERA-B RICH durchlaufen

40. Event Screens eines RICH Cherenkov Ring eines Elektrons aus einem Myon Zerfall. Das Myon entstand durch ein Myon-Neutrino Cherenkov Ring eines Myons. Das Myon entstand durch ein Myon-Neutrino

41. Ring Radien • Ring Imaging Cherenkov Counters (RICH) sind sehr nützlich im Bereich der Teilchenphysik geworden • Die Ring Radien der Pionen, Myonen und Elektronen wurden mit 100-channel Photomultipliern, mit einer 10 x 10 cm2 großen aktiven Fläche, ausgelesen Ring-Radien von Pionen, Myonen und Elektronen (3 GeV) in einem C4F10-Ar(75:25)-filled RICH-Zähler.

42. Fokussierender Cherenkov-Zähler • Photomultiplier sensitiv über beschränkten Winkelbereich • Zähler spricht also nur in begrenztem Geschwindigkeitsbereich der Primärteilchen an • Zähler eignet sich gut um das Energiespektrum eines Teilchenstrahles über einen bestimmten Bereich von QC aufzunehmen • Vorraussetzung: eng fokussierender Strahl

43. Das von Marshall entwickelte System • Benutzt werden die optischen Eigenschaften einer Kugellinse • Würde das Licht in einer sphärischen Ebene die drei Radiuslängen entfernt aufgespannt wäre fokussieren • Lichtstrahlen werden aber vorher durch ein Spiegelsystem auf die Photokathoden zweier Multiplier gelenkt, die in Koinzidenz geschaltet sind

44. Beispiel 3 Energieauflösung eines fokussierenden Zählers An der Abbildung zur Energieauflösung kann man die Brauchbarkeit des Fokussierenden Zählers erkennen. Sie zeigt die Änderung des Cherenkov-Winkels, Nachdem ein 145 MeV Pion-Strahl 7,6 cm Graphit durchdrungen hat.

45. Anwendungen / Übersicht • Neutrinonachweis • Kamiokande Experiment • Nachweis von Photonen hoher Energie in der kosmischen Strahlung • Experimente der „B-Fabriken“ BaBar und BELLE

46. Neutrinonachweis Mit Hilfe so genannter Neutrino-Teleskopen werden relativistische, geladene Teilchen, die bei Wechselwirkung von Neutrinos mit der Erde entstehen, nachgewiesen. Als transparentes Medium dient ein natürliches Wasser oder Eisvorkommen. Kosmische Myon-Neutrinos haben eine sehr große mittlere freie Weglänge und Durchdringen somit die Erde fast ungehindert. Sie können allerdings mit Nukleonen Folgende Reaktionen durchführen: CC-Reaktion NC-Reaktion Für die Detektion sehr interessant ist in diesem Fall die CC-Reaktion. Der Wirkungsquerschnitt ist allerdings sehr gering und hängt bei hohen Energien annährend linear von der Neutrino-Energie ab:

47. Neutrinonachweis Die Richtung des Myons unterscheidet sich nur wenig von der des ursprünglichen Neutrinos. Die mittlere Winkelabweichung ist gegeben durch: Gleichzeitig wird somit die maximal mögliche Winkelauflösung eines Neutrino- Teleskopes definiert. Man kann aus diesem Wert erkennen wie genau die Richtung des Neutrinos aus der Myonspur bestimmt werden kann.

48. Prinzip des Neutrinonachweises mit einem Unterwasser-Neutrino-Teleskop Anordnung der Photomultiplier (Baikal) Neutrinonachweis

49. Neutrinonachweis Es handelt sich um einen indirekten Neutrinonachweis. Durch Elektron-Neutrinos oder Myon-Neutrinos werden Elektronen bzw. Myonen erzeugt und diese werden dann mit Hilfe des Cherenkov-Lichtes nachgewiesen. In der unten gezeigten Abbildung handelt es sich um die Cherenkov-Ringe von Elektron und Myon. Der Ring der von einem Elektron erzeugt wurde, ist verwaschen. Der Grund dafür sind Elektronenschauer. Cherenkovringe die durch Elektronen und Myonen in Wasser entstanden sind

50. Kamiokande Experiment • Ziel des Experimentes ist der Nachweis der Elektron-Neutrinos die in der Sonne aus dem Zerfall von 8B entstehen • Die Neutrinos können in einem Wasser-Cherenkov-Zähler nachgewiesen werden