47

Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

  • Upload
    buicong

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

1

Page 2: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Bau einer Diffusionsnebelkammer mit

Trockeneis

Ronny Blum

20. November 2008

Page 3: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen 31.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe einer Nebelkammer . . . 31.2 Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Der gesattigte und ubersattigte Dampf . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Entstehung der Nebelspuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Die Expansionskammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.6 Die Diffusionskammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.7 Geschwindigkeitsbestimmung durch Anlegen eines Magnetfeldes . 101.8 Die kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.8.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.8.2 Solare kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.8.3 Galaktische kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . 121.8.4 Die Sekundarstrahlung der kosmischen Strahlung . . . . . 13

1.9 Der Ionisationsverlust von geladenen Teilchen in Materie . . . . . 161.9.1 Die Bethe-Bloch-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.9.2 Korrekturterme zur Bethe-Bloch-Formel . . . . . . . . . . 17

1.10 Der Energieverlust von Photonen in Materie . . . . . . . . . . . . 21

2 Die Materialien meiner Nebelkammer 232.1 Trockeneis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Styropor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3 Kupfer und Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4 Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5 Propanol-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.6 Organischer Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.7 Photomultiplier, AND-Element und Diskriminator . . . . . . . . 27

3 Konstruktion und Bau meiner Nebelkammer 293.1 Provisorium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Konstruktion und Bau der ersten Nebelkammerversion und die

Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Bau der endgultigen Nebelkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.4 Szintillator, Diskriminator und Koinzidenz . . . . . . . . . . . . . 353.5 Materialliste der Endversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1

Page 4: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

3.6 Kurze aufgelistete Bauanleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 Bilder der Nebelkammer sowie einiger Bauteile 38

5 Bilder von aufgenommenen Spuren 42

2

Page 5: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Kapitel 1

Grundlagen

1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer

Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar, der ionisierende Strahlungwie α und β-Strahlung, sowie andere geladene Teilchen, die elektromagnetischwechselwirken konnen, nachweisen kann. In geringem Masse kann auch γ- Strah-lung nachgewiesen werden. Neutrale Teilchen wie das Neutron konnen nur indi-rekt durch Entstehung geladener Teilchen nachgewiesen werden. Im Gegensatzzu einem Geiger-Muller-Zahlrohr kann die Nebelkammer auch die Flugbahn an-zeigen. Diese lasst Ruckschlusse uber die Art der ionisierenden Strahlung ziehen.Die Funktionsweise der Nebelkammer basiert auf der Tatsache, dass Ionen ineinem ubersattigten Dampf als Kondensationskeime dienen konnen. In der Ne-belkammer wird solch ein ubersattigter Alkohol-Wasser-Dampf erzeugt und ent-lang der Flugbahn werden durch die Ionisation der Atome Kondensationskeimegebildet, die eine aus Wassertropfen bestehende Spur im Nebel bildet.

1.2 Geschichte

Heutzutage kommt die Nebelkammer nur noch zu Demonstrationszwecken inAusstellungen vor. Es werden heute prazisere und bessere Detektoren verwen-det. In der Vergangenheit hatte die Nebelkammer allerdings einen entscheiden-den Einfluss auf die Geschichte der Physik. Die grossten Erfolge waren die Ent-deckung mehrerer damals unbekannter Teilchen.

• Die Nebelkammer wurde 1911 von Charles Thomas Rees Wilson erfun-den und entwickelt. Von ihm stammt der Name Wilsonkammer, die einespezielle Form der Expansions-Nebelkammer (s.u.) ist.

• Wilson bekam 1927 den Nobelpreis in Physik fur die Erfindung der Ne-belkammer.

3

Page 6: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

• Die Nebelkammer fuhrte 1931 zur Entdeckung des Positrons durch CarlAnderson.

• Chadwick entdeckte 1932 das Neutron mithilfe einer Nebelkammer undbekam dafur 1935 den Nobelpreis in Physik.

• 1937 entdeckten J. C. Street und E. C. Stevenson mit Hilfe einer Nebel-kammer das Myon.

1.3 Der gesattigte und ubersattigte Dampf

Ein gesattigter Dampf kann zum einen erzeugt werden, indem man einen Dampfherstellt, der bei gleichbleibendem Volumen in eine kuhlere Region absinkt, wiees in der Diffusionsnebelkammer (s.u.) der Fall ist. Man konnte auch das Vo-lumen vergrossern und eine adiabatische Temperaturabnahme erzeugen, wie esin der Expansionsnebelkammer der Fall ist (s.u.). Wichtig ist, dass sich dieTemperatur erniedrigt. In der untenstehenden linken Abbildung, die ein Druck-Volumen-Diagramm darstellt fur verschiedene Temperaturen, wurde man sichvon einer oberen Isothermen zu einer weiter unten liegenden bewegen, bei kon-stantem Volumen entsprechend parallel zur Druckachse. Wird die Temperaturgeringer, kommt man somit in den Bereich hinein, in dem flussige und gasformi-ge Phase koexistieren konnen. Lasst man das System ruhen, stellt sich einGleichgewicht ein. Im Gleichgewicht ist die Verdampfungs- und Kondensations-geschwindigkeit gleich gross. Die Konzentration der Molekule im Dampf bleibt,wenn man von statistischen Schwankungen absieht, gleich, vorrausgesetzt dasVolumen andert sich nicht. Es handelt sich also um ein Gleichgewicht, dass nurdie mittlere statistische Konzentration betrifft. Verdampfung und Kondensati-on sind aber nicht zum Stillstand gekommen, sie laufen lediglich gleich schnellab. Der Druck, bei dem diese zwei Aggregatszustande koexistieren, nennt manDampfdruck. Dieser ist entsprechend der unteren rechten Abbildung temperatu-rabhangig. Der Dampfdruck sinkt mit abnehmender Temperatur. Eine im Alltagzu beobachtende Folge daraus ist, dass der Siedepunkt von Wasser mit der Hoheabnimmt. Vergrossert man nun das Volumen beim Dampfdruck und gleichblei-bender Temperatur, andert sich der Druck nicht, zumindest solange nicht bisalle Molekule in den gasformigen Zustand ubergegangen sind. Umgekehrt wer-den sich mehr Molekule in die Flussigkeit begeben, wenn das Volumen verringertwird, wobei auch hier der Druck konstant bleibt, solange bis alle Molekule in denflussigen Zustand ubergegangen sind. In dieser Koexistenzphase ist der Dampfimmer gesattigt, wenn man dem System Zeit gelassen hat, einen Gleichgewichts-zustand einzunehmen. Um nun einen ubersattigten Dampf herzustellen, erzeugtman einen gesattigten Dampf und verhindert, dass sich der flussige Anteil her-ausbilden kann. Das erreicht man, indem man Kondensationskeime entfernt. Dassind unter anderem Staubpartikel, Ionen oder grossere Molekule. Ionen konnenmit einer Hochspannung abgesaugt werden. Es wird also wie oben beschriebenein gesattigter Dampf durch Temperaturabsenkung erzeugt, jedoch verhindert,

4

Page 7: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

dass die Flussigkeit teilweise kondensiert, wie es nach der unteren linken Abbil-dung eigentlich passieren sollte. Man bekommt also einen ubersattigten Dampf,der allerdings an den Kontaktflachen kondensiert, wie zum Beispiel auch amBoden einer Nebelkammer.

linkes Bild: Druck-Volumen-Diagramm fur 3 verschiedene Temperaturen, l =flussig, g = gasformig, l,g = flussig und gasformig

rechtes Bild: Dampfdruck in Abhangigkeit der Temperatur [17]

1.4 Entstehung der Nebelspuren

Durchlauft ein ionisierendes Teilchen den ubersattigten Dampf, entstehen ent-lang der Flugbahn ionisierte Atome, die als Kondensationskeime dienen undandere Molekule anziehen. Es wachsen kleine Tropfen heran durch immer wie-der erneute Anlagerung von Molekulen. Die Ionen konnen nur polare Molekuleanziehen, wie zum Beispiel Propanol, das gerne in einer Nebelkammer verwen-det wird , aber hauptsachlich Wasser, das einen permanenten Dipol besitzt auf-grund der unterschiedlichen Elektronegativitat von Wasserstoff und Sauerstoff.Die Polaritat der Flussigkeit, die man in der Nebelkammer zum Verdampfen ver-wendet, lasst sich anhand der Mischbarkeit mit Wasser leicht feststellen durchdie Tatsache, dass sich polare Flussigkeiten in polaren Losungsmitteln losen. DieTropfchenbildung entlang der Flugbahn hinterlasst dann eine sichtbare Spur imubersattigten Dampf, die mit dem blossen Auge unter einer guten Beleuchtungzu sehen ist. Die Nebelspuren unterscheiden sich in ihrer Form, Dicke und Lange.Dies ist auf die unterschiedlich starke Ionisation von den verschiedenen Teilchen,wie zum Beispiel α - und β -Teilchen und γ - Photonen, zuruckzufuhren.

5

Page 8: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

• α -Strahlung hat von diesen drei Strahlungsarten die hochste Ionisations-rate und es sollten dicke kurze Spuren sichtbar werden. Es handelt sichdabei um zweifach ionisierte Heliumatome, die aus Kernzerfallen stam-men. Diese Strahlung hat ein diskretes Energiespektrum.

• β -Strahlung hat ein geringeres Ionisationsvermogen, dass ungefahr einProzent der α -Strahlung ist. Es gibt verschiedene Arten von β-Strahlung,die eine beinhaltet Elektronen von den sogenannten β−-Zerfallen, die an-dere Positronen von den β+-Zerfallen. Beim β− -Zerfall wandelt sich einNeutron in ein Proton, Elektron und ein Antineutrino um, beim β+ -Zerfall wandelt sich ein Proton in ein Neutron, Positron und ein Elektron-neutrino um. Wenn die Eletronen oder Positronen der β-Strahlung einegrosse Geschwindigkeit haben, werden sie weniger stark als Langsamerevon den Hullenelektronen der Dampfatome abgelenkt und es resultierenperlschnurartige, langliche und dunne Spuren, wahrend die langsamerenElektronen oder Positronen kringelformige Spuren hinterlassen. β-Strahlerhaben ein kontinuierliches Energiespektrum.

• γ - Strahlung hat nochmals eine geringere Ionisationsfahigkeit als die derβ -Strahlung. Die schnellen Photonen erzeugen einzelne Ionen in grosserenAbstanden und es entstehen dort somit einzelne sichtbare Tropfen. DieseStrahlungsart ist aufgrund der geringen Ionisationsrate schwierig zu be-obachten.

Spuren von α-Teilchen[11]

6

Page 9: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Spuren von langsamen (kringelformigen) β-Teilchen und schnellen (lang-lichen) β-Teilchen[11]

Spuren von γ-Photonen (weisse Punkte)[11]

Spuren von α-Teilchen mit uberlagertem Magnetfeld. Aus dem Bahnradi-us lasst sich die Teilchenenergie berechnen[11]

7

Page 10: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Stoss eines α-Teilchens mit einem Heliumkern (geknickte Striche). Ausden Winkeln und den Restlangen kann man den Impuls- und Energiesatzuberprufen.[11]

1.5 Die Expansionskammer

Bei den beiden Grundmodellen einer Nebelkammer gibt es zum einen dieExpansionskammer. Sie ist auch unter dem Namen Wilsonkammer be-kannt nach ihrem Erfinder Wilson, der diese Art Nebelkammer anfangsdes 20. Jahrhunderts entwickelte. Der ubersattigte Dampf wird mit einemAlkohol, wie zum Beispiel Propanol-2 erzeugt, da dieser niedrige Gefrier-und Siedepunkte hat. Der ubersattigte Dampf wird hier durch eine adiabi-tische Expansion des luftdichten Glaskammervolumens mittels eines Kol-ben erzeugt. Durch die Expansion erniedrigt sich die Temperatur und fureine kurze Dauer hat man dann einen ubersattigten Dampf. Die Dauer istaufgrund der schnellen Temperaturregulierung begrenzt und die Kammereignet sich daher nicht fur den Nachweis kosmischer Strahlung. Vorteilhaftist der einfache mechanische Aufbau. Anstatt eines Kolben kann auch einGummiball verwendet werden, der nach dem Zudrucken seinen Luftinhaltin die Kammer abgibt, die sich dadurch kurzzeitig erwarmt. Man halt denGummiball eine Weile gedruckt, bis sich die Temperatur wieder der Um-gebungstemperatur angeglichen hat. Dann lasst man ihn los und der Ballsaugt das Luft-Alkoholgemisch an. Fur einen kurzen Moment erhalt mandie gewunschte Abkuhlung durch adiabatische Expansion.

8

Page 11: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Skizze einer Expansionsnebelkammer mit Gummiball[18]

1.6 Die Diffusionskammer

Fur den Dauerbetrieb ist die Diffusionsnebelkammer besser geeignet. Hiererzeugt man einen Temperaturgradienten im luftdichten Glaskammervo-lumen und lasst Alkoholdampf in der Kammer zum kalten Boden hindiffundieren. Dieser Temperatursturz und das Fehlen von Kondensations-keimen bewirkt die Ubersattigung des Dampfes. Ionen werden durch eineangelegte Spannung abgesaugt und die Kammer sollte staubfrei sein. DieIonenabsaugung kann auch mithilfe eines geriebenen Stabes geschehen,der sich durch die Reibung elektrisch aufladt. Je tiefer die Temperatur amBoden ist, desto hoher ist die Schicht des ubersattigten Dampfes, da derDampf dann fruher ubersattigt. Da sich am Boden immer etwas Flussig-keit bildet, muss man beim Dauerbetrieb dieses Kondensat an den warmenDeckel, der auf ungefahr 30 Grad gewarmt wird, zuruckfuhren. Am war-men Deckel ist ein Material angebracht, dass den Alkohol aufsaugt, so dasser von dort abwarts diffundieren kann. Es konnte auch ein Verdampfer denDampf hinzufuhren, hier gibt es zahlreiche technische Moglichkeiten. Da-mit man Nebelspuren beobachten kann, muss man das Kammerinnere gutbeleuchten. Die Photonen werden dann an den Tropfen gestreut und manerkennt die Spuren. Der Hintergrund ist bis auf das Sichtfenster durch einschwarzes Material abzuschirmen, so dass die Sicht verbessert wird. Furdie Kuhlung gibt es zahlreiche Moglichkeiten. Peltierelemente, flussiger

9

Page 12: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Stickstoff und Trockeneis sind die am haufigsten verwendeten Kuhlsyste-me, wobei Peltierelemente Strom benotigen, wahrend flussiger Stickstoffund Trockeneis nach einer gewissen Zeit nachgefullt werden mussen. AlsBodenplatte wird gewohnlich das bestleitende Material genommen, daszur Verfugung steht. Kupfer ist hier am geeignetsten aufgrund der gutenLeitfahigkeit. Das Kuhlsystem sollte mit Materialien wie zum Beispiel Sty-ropor thermisch abgeschirmt werden, um eine bessere Kuhlleistung zu be-kommen.

Skizze einer Diffusionsnebelkammer[3]

1.7 Geschwindigkeitsbestimmung durch An-legen eines Magnetfeldes

Durch Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zur Einfallsrichtung der Teil-chens kann mithilfe des Bahnradiuses, der Teilchenladung und der Teil-chenruhemasse die Teilchengeschwindigkeit bestimmt werden. Die Lor-entzkraft muss bei einer Kreisbahn so gross wie die Zentrifugalkraft sein.

qvB =mv2

rmit m = m0

11− v2

c2

10

Page 13: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Hier ist B die Magnetische Flussdichte, q die Teilchenladung, r der Bahn-radius und m die relativistische Teilchenmasse. Daraus folgt durch Um-formen die Relation fur die Teilchengeschwindigkeit wie folgt:

qB =m0v

r(1− v2

c2 )

⇒ 1− v2

c2=m0v

rqB

⇒ v2

c2+m0v

rqB− 1 = 0

⇒ v2 +c2m0v

rqB− c2 = 0

⇒ v1,2 = −12c2m0

rqB±

√c4m2

0

4r2q2B2+ c2

⇒ v = −12c2m0

rqB± c

rqB

√c2m2

0

4+ r2q2B2

Je nach Genauigkeit der Messungen fur B und r kann man damit einehinreichend genaue Abschatzung der Geschwindigkeit erlangen.

1.8 Die kosmische Strahlung

1.8.1 Allgemein

Mit der Diffusionsnebelkammer sind auch Teilchen der kosmischen Strah-lung detektierbar. Diese Strahlung aus dem Weltall besteht hauptsachlichaus Protonen, Elektronen und vollstandig ionisierten Atomen. Auf dieausseren Atmospharenschichten treffen ungefahr 1000 Teilchen pro Qua-dratmeter und Sekunde. Diese wechselwirken mit den Gasmolekulen derAtmosphare und es entstehen Teilchenschauer mit einer grossen Anzahlvon Sekundarteilchen. Die wenigsten davon erreichen im spateren Verlaufdie Erdoberflache. Der Begriff Strahlung hat sich zwar bis heute gehalten,es handelt sich aber nicht um Photonen, was gerne verwechselt wird. Dieelektromagnetische Strahlung aus dem All wird zur Unterscheidung mitdem Begriff der kosmischen Gammastrahlung bezeichnet. Man unterteiltdie kosmische Strahlung nach ihrem Entstehungsort entsprechend sola-rer, galaktischer und extragalaktischer Strahlung, wobei extragalaktischausserhalb der Milchstrasse bedeutet.

11

Page 14: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

1.8.2 Solare kosmische Strahlung

Der Ursprung der solaren Strahlung SCR (SCR=solar cosmic rays)ist dieSonne und sie wird dort in den in kurzen (11 Jahre) und langen Periodenauftretenden Sonneneruptionen, auch Flares genannt, emittiert. Die Dauerdieser Flares ist auf wenige Stunden bis Tage begrenzt. Die SCR beinhaltetzu ungefahr 98 Prozent Protonen und ca. 2 Prozent α -Teilchen, aber auchandere Teilchen wie Elektronen, Neutrinos, Neutronen und γ-Photonensind in geringer Menge vorhanden. Der Anteil an schwereren Kernen istunter einem Prozent. Die variierenden Magnetfelder konnen die Teilchenbis zu mehreren 100 MeV pro Teilchen beschleunigen.

1.8.3 Galaktische kosmische Strahlung

Die Zusammensetzung der SCR ahnelt der galaktischen Strahlung GCR(GCR = galactic cosmic rays). Diese Teilchen stammen von ausserhalbdes Sonnensystems und stellen eine im Gegensatz zur SCR isotrope Teil-chenstrahlung dar, die energetisch hoher aber mit geringerer Teilchen-flussdichte ausgestattet ist. Bezuglich des Ursprungs wird angenommen,dass es sich um interstellare Materie und Supernovamaterial handelt, dassdurch die Schockwelle einer Supernova beschleunigt wurde. KosmischeJets von Schwarzen Lochern und Pulsaren sind ebenfalls Kandidaten. Beikleineren Energien als 1018eV wird ein Ursprung in der Milchstrasse an-genommen, bei grosseren Energien sind andere Galaxien oder Quasarewahrscheinlicher. Die Zusammensetzung der GCR besteht aus durschnitt-lich 87 Prozent Protonen, 12 Prozent Heliumkernen und ungefahr einemProzent schweren Kernen. Neutrinos, Elektronen und Gammastrahlungmachen einen Anteil aus, der kleiner als ein Prozent ist. Die Atomkerneentsprechen, was ihre Haufigkeit angeht, bis auf Li, B und Be der solarenHaufigkeit. Diese genannten Atomkerne entstehen durch Spallationsreak-tionen beim Durchqueren galaktischer Materie. Durch die Wechselwirkungwandernder Magnetfelder konnen die Teilchen durch eine grosse Beschleu-nigung Energien bis zu 1020eV bekommen. Je hoher die Energie, destomehr nimmt die Isotropie der Teilchenstrahlung ab. Die Teilchenspektrender Eruptionen der Sonne uberlagern das galaktische Spektrum.

12

Page 15: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

1.8.4 Die Sekundarstrahlung der kosmischen Strah-lung

Skizze zur Sekundarstrahlung[16]

Im obenstehenden Bild sieht man eine schematische Abbildung zur Se-kundarstrahlung. Die kosmische Strahlung zerschlagt Atome (Spallations-reaktionen) und es entstehen Pionen oder weitere Spallationsprodukte, dieaus Neutronen und Protonen bestehen. Man kann die Sekundarstrahlungin drei Komponenten unterteilen: Die elektromagnetische, die hadronischeund die myonische Komponente.

– Die elektromagnetische Komponente beinhaltet Elektronen, Photo-nen und Positronen. Ungeladene Pionen zerfallen in zwei Photonen,die sich auf ihrem weiteren Flug zu Elektron-Positron-Paaren umwan-deln konnen. Diese erzeugten geladenen Teilchen konnen nun, wennsie beschleunigt werden, nach den Gesetzen der Elektrodynamik ih-

13

Page 16: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

rerseits wieder Photonen abstrahlen. Es entsteht eine Teilchenkas-kade bis zur unteren Energiegrenze, ab der keine Elektron-Positron-Paarbildung mehr moglich ist.

– Die hadronische Komponente beinhaltet hauptsachlich die Protonenund Neutronen sowie die Pionen, die leichteste Art der Mesonen, dieaus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Protonen und Neu-tronen, die aus Spallationsreaktionen entstanden sind, losen weitereSpallationsreaktionen aus. Diese Reaktionen laufen in zwei Stufenab. In der ersten Stufe, die 10−22 Sekunden dauert, wechselwirkt dasProjektil mit einzelnen Nukleonen, die daraufhin mit anderen Nu-kleonen im Kern wechselwirken und eine Teilchenkaskade im Kernauslosen. Dabei verlassen Nukleonen, die genugend Energie haben,den Kern. Die Hauptrichtung der emittierten Teilchen ist die Pro-jektilrichtung, also die Richtung der ursprunglichen Teilchen der kos-mischen Strahlung. Pionen konnen erzeugt werden, wenn die Ener-gie des Projektils ungefahr 400 MeV uberschreitet. In der zweitenStufe, die 10−16 Sekunden dauert, verlassen einzelne Protonen, Neu-tronen und α-Teilchen den ubriggebliebenen angeregten Kern, wobeidie Energien dieser Teilchen ungefahr 10 MeV sind und eine isotropeWinkelverteilung aufweisen.

– Die myonische Komponente hat den Ursprung in den geladenen Pio-nen. Der Zerfall vom geladenen Pion in ein Elektron und ein Elek-tronneutrino ware eigentlich aufgrund des zur Verfugung stehendenPhasenraums 3,5 mal wahrscheinlicher als der Zerfall in Myonen.Tatsachlich ist der Zerfall in ein Myon und ein Myonneutrino umden Faktor 8000 wahrscheinlicher. Dies ist durch Helizitatsbetrach-tung zu erklaren. Im Schwerpunktssystem werden Myon und Anti-myonneutrino in entgegengesetzter Richtung abgestrahlt, wie es inZerfallen in zwei Teilchen ublich ist. Pionen sind pseudoskalare Me-sonen mit Spin 0. Deshalb muss der Spin der emittierten Leptonenentgegengesetzt sein, damit der Gesamtimpuls erhalten bleibt. Daaber die Helizitat des Antineutrino immer positiv ist, es sich al-so um ein rechtshandiges Teilchen handelt, ist die Spinprojektionin Bewegungsrichtung folglich fur beide Leptonen +1/2. Fur masse-lose Teilchen, die ihre Spinprojektion in Bewegungsrichtung haben,gibt es nur eine rechtshandige Komponente. Fur massebehaftete Teil-chen gibt es aber eine linkshandige Komponente, die proportionalzu 1- β ist, wobei β das Verhaltnis von der Teilchengeschwindigkeitzur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Dies kann sogar allgemeingesagt werden: Es gibt immer eine andershandige Komponente furmassebehaftete Teilchen, die proportional zu 1- β ist. Das W-Boson,dass bei der Umwandlung in geladene Teilchen das Austauschbosonist und somit die schwache Wechselwirkung vermittelt, koppelt nuran linkshandige Fermionen und rechtshandige Antifermionen. WarenElektron und Myon masselos, wurde also der Zerfall des Pions in die-

14

Page 17: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

se Leptonen verboten sein. 1- β ist 0,72 fur das Myon und 2, 6 ∗ 10−5

fur das Elektron. Somit ist der linkshandige Anteil des Myons hierdeutlich grosser als beim Elektron und das W-Boson koppelt dement-sprechend 8000 mal wahrscheinlicher an das Myon als an das Elek-tron. Hier spielt es keine Rolle, ob sich ein positives oder negativesPion umwandelt, man erhalt jeweils ein positives oder ein negativesMyon. Man findet in der Atmosphare stehts die Myonen als Zerfalls-produkt der Pionen. Die Myonen erreichen die Erdoberflache, was sieohne Berucksichtigung der Relativitatstheorie theoretisch nicht tunkonnten. Die Tatsache, dass sie auf der Erdoberflache experimen-tell nachweisbar sind, war in fruherer Zeit ein wichtiges Indiz fur dieRichtigkeit der speziellen Relativitatstheorie. Ohne die Zeitdilatationkonnten die Myonen lediglich eine Strecke von 600 Metern zuruckle-gen. Da aber ihre Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit ist,vergeht fur den Beobachter eine langere Zeit als fur das Myon selbst,dass im eigenen Bezugssystem eine Lebensdauer von etwas uber 2Mikrosekunden hat, entsprechend der speziellen Relativitatstheorie.Die Myonen entstehen in ungefahr 10 Kilometern Hohe.

Die Intensitat der kosmischen Sekundarstrahlung ist proportional zu cos2(θ)im Bereich zwischen -90 und 90 Grad zur Einfallsrichtung der primarenStrahlung, was man in der nachsten Grafik sehen kann.

Intensitatsabhangigkeit der kosmischen Sekundarstrahlung in Abhangig-keit des Polarwinkels relativ zur Einfallsrichtung der Primarstrahlung

15

Page 18: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

1.9 Der Ionisationsverlust von geladenen Teil-chen in Materie

Um zu verstehen, warum die Spuren in der Nebelkammer unterschiedlicheDicken und Langen haben, muss man fur die verschiedenen Teilchen denIonisationsverlust in Materie in Betracht ziehen.

1.9.1 Die Bethe-Bloch-Formel

Unter dem Begriff Ionisationsverlust versteht man den Energieverlust vonTeilchen. Fur geladene Teilchen ist die elektromagnetische Wechselwir-kung fur den Energieverlust verantwortlich. Diese werden in Materie durchdie Coulombwechselwirkung mit den Elektronen, welche dabei in hohereEnergieniveaus steigen oder ganz das Atom verlassen, abgebremst. DiesenEnergieverlust beschreibt die untenstehende Bethe-Bloch-Formel, welchenicht von der Masse des ionisierenden Teilchen abhangt, sondern lediglichvon seiner Geschwindigkeit und der Teilchenladung. Sie beschreibt denmittleren Energieverlust, also einen statistischen Vorgang, durch Ionisati-on und Anregung. Die Bethe-Bloch-Formel gilt auch in erster Naherungfur Elektronen und Positronen im Energiebereich, in dem Bremsstrah-lung vernachlassigbar ist. Die Gleichung basiert auf der Annahme, dassdie Elektronen im Absorbermaterial keine Eigengeschwindigkeit haben.Bei steigender Energie und demnach steigender Teilchengeschwindigkeitfallt dann der Ionisationsverlust mit 1

v2 auf ein Minimum ab, dem soge-nannten Ionisationsminimum. Dieses Minimum ist ungefahr bei βγ = 3,wobei γ hier der Lorenzfaktor ist. Dies ist damit zu erklaren, dass die Teil-chen weniger Wechselwirkungszeit zur Verfugung haben und folglich derEnergieverlust geringer wird. Bei grosseren Energien steigt der Energie-verlust aufgrund relativistischer Effekte logarithmisch mit der Geschwin-digkeit an. Hier wird das durch das Teilchen erzeugte elektrische Feld inBewegungsrichtung gestaucht und es konnen somit mehr Elektronen proZeiteinheit mit dem einfliegenden Teilchen wechselwirken. Ist das Materialdichter, schwacht sich dieser Effekt ab, da das elektrische Feld in Bewe-gungsrichtung durch die vielen Elektronen wieder ausgedehnt wird undfolglich weiter entferntere Elektronen nicht mehr wechselwirken konnen.Dies findet sich in der Bethe-Bloch-Formel im Term − δ2 wieder. Der re-lativistische Anstieg ist also begrenzt und erreicht also einen Sattigungs-wert. Die Material- oder Dichteabhangigkeit ist im Allgemeinen allerdingsgering. Neben der Geschwindigkeitsabhangigkeit zeigt sich eine Ladungs-abhangigkeit. Der Energieverlust ist dabei proportional zum Quadrat derLadung des einlaufenden Teilchens. Die Bethe-Bloch-Formel ergibt sich zu:

16

Page 19: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

In der Formel kommen einige Variablen und Naturkonstanten vor. Zumeinen β, was das Verhaltnis aus Teilchengeschwindigkeit zur Lichtgeschwin-digkeit angibt, me als Elektronenmasse, h als Plancksches Wirkungsquan-tum durch 2π dividiert, c als Lichtgeschwindigkeit, z als Ladungszahl derEinschussteilchen, ρ als Materialdichte sowie folgende Variablen, bei denenZ als Kernladungszahl, NA als Avogadrozahl, ε0 als Dielektizitatskonstan-te im Vakuum und A als Anzahl der Targetnukleonen pro Atom verwendetwurde:Elektronendichte im Material: n0 = NAZ

ρA

Mittleres Ionisationspotential : I = 16Z0,9eVFeinstrukturkonstante : α = e2

4πε0hc

1.9.2 Korrekturterme zur Bethe-Bloch-Formel

Die Bethe-Bloch-Gleichung beschreibt den Energieverlust der Teilchen imBereich 0, 01 < β < 0, 05[20] sehr gut, aber vor allem bei kleineren Ener-gien und sehr hohen Energien weichen die Messergebnisse von der Formelab, was mit Korrekturtermen ausgeglichen wird. Abweichungen von derBethe-Bloch-Formel lassen sich wie folgt begrunden:

– Fur kleine Energien im Bereich unter einem MeV muss man beruck-sichtigen, dass sich die einlaufenden geladenen Teilchen zu elektrischneutralen Gebilden formen konnen. Positiv geladene Teilchen wie Io-nen, Pionen oder Myonen fangen dabei Elektronen ein. Durch dieelektrische Neutralitat ist die Abbremsung infolge elektromagneti-scher Wechselwirkung und der daraus resultierender Ionisation oderAnregung stark unterdruckt. Der Energieverlust sinkt also bei kleine-ren Teilchengeschwindigkeiten. Der Effekt ist umso grosser, je kleinerdie Geschwindigkeit ist, weil die geladenen Teilchen dann mehr Zeithaben die Elektronen des Materials einzufangen. Dementsprechendgibt es fur kleinere Teilchenenergien eine Abknickung der Bethe-Bloch-Funktion zu kleineren Energieverlusten hin. Dies kann manin der untenstehenden Grafik sehen, in der der Ionisationsverlust vonpositiven Myonen aufgetragen ist.

– Hochenergetische geladene Teilchen verlieren noch zusatzlich Ener-gie durch die sogenannte Bremsstrahlung, also Strahlung die beimBeschleunigen durch die Coulombwechselwirkung entsteht. Bremss-trahlung bezeichnet im Allgemeinen Sprachgebrauch Strahlung, dievon geladenen Teilchen durch Beschleunigung abgestrahlt wird, be-zeichnet aber im engeren Sinne nur den Fall der Strahlung durchgebremste geladene Teilchen. Der Bremsstrahlungsverlust ist propor-tional zur Energie und zum Quadrat der inversen Teilchenmasse. Dasbedeutet, dass bereits fur das Myon der Energieverlust durch Bremss-trahlung 40000 mal kleiner ist als fur das Elektron oder Positron. Da

17

Page 20: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

die Bethe-Bloch-Gleichung nicht fur Elektronen und Positronen gilt,ist der Korrekturterm durch Bremsstrahlung in geringerem Ausmas-se. Fur die Berechnung des Energieverlustes der Elektronen spielt dieBremsstrahlung allerdings eine grossere Rolle.

– Weitere Korrekturterme konnen hinzugefugt werden, um die Eigen-bewegung der Elektronen im Material zu berucksichtigen. Dies ist diesogenannte Schalenkorrektur.

– Da die Bethe-Bloch-Formel mit der quantenmechanischen Storungs-theorie abgeleitet wurde, kann man auch hohere Potenzen der La-dung mit in die Rechnung nehmen und erhalt dann einen weiterenKorrekturterm, was auch unter dem Namen Barkas-Andersen-Effektbekannt ist.

Gemessener Ionisationsverlust eines positiven Myons in Kupfer [2]

18

Page 21: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Gemessener Ionisationsverlust von Myonen, Pionen, Elektronen, Kaonen,Protonen und Deuteronen in Abhangigkeit vom Impuls[1]

Energieverlustanteile von Elektronen im Medium in Abhangigkeit der Ener-gie[1]

19

Page 22: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Der Energieverlust ist ein statistischer Prozess, wobei die Verteilungsfunk-tion des Energieverlustes im Allgemeinen asymmetrisch ist, weil geringeEnergieveruste wahrscheinlicher sind als hohe. Der mittlere Energiever-lust ist somit hoher als der wahrscheinlichste, aufgrund dieser Asymme-trie. Fur dunne Absorbermaterialien kann die Verteilungsfunktion durcheine Landauverteilung beschrieben werden, die fur dicke Materialien ineine Gaussverteilung ubergeht. Der Energieverlust in Abhangigkeit vonder Eindringtiefe in den Absorber wird Bragg-Kurve genannt. Hier wirddas Teilchen beim Eindringen langsamer und der Ionisationsverlust steigtnach der Bethe-Bloch-Gleichung an. Kurz vor dem Ende der Spur erreichtdas Teilchen den grossten Ionisationsverlust und im Schaubild ergibt sichder sogenannte Braggpeak. Dies wird in der Medizin fur die Tumorbe-strahlung ausgenutzt.

Braggkurve[12]

20

Page 23: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Landauverteilung[12]

1.10 Der Energieverlust von Photonen in Ma-terie

Der Unterschied bei der Wechselwirkung mit Materie besteht bei denPhotonen darin, dass sie aus dem Strahl entfernt werden konnen. DieStrahlenergie der Photonen bleibt also unverandert, lediglich die Inten-sitat andert sich durch die Absorption von Photonen oder Streuung ineine andere Richtung.

– Fur Energien, die kleiner als 1keV sind, verlieren die Photonen Ener-gie durch Energieabgabe an die Atome, die daraufhin in Schwingungoder in einem Gas in Bewegung geraten und daraufhin gewohnli-che Warmestrahlung abgeben, bei schwarzen Korpern gemass desPlanckschen Strahlungsgesetzes.

– Fur niedrige Energien von ca. 1 keV bis 100 keV spielt der Photoeffekteine Rolle, es werden also Elektronen aus dem Material entfernt durchdie Absorption von Photonen.

– Kommen die Energien in den Bereich von 50 keV bis 1 MeV, ver-lieren die Photonen ihre Energie durch den Comptoneffekt, bei demdie Photonenergie so gross ist, dass die Ionisationsenergie der Va-lenzelektronen vernachlassigt werden kann und man wie mit freien

21

Page 24: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Elektronen rechnen kann. Hierbei geben die Photonen Energie infol-ge von Stossen an die Elektronen ab und die Richtung und Energieder Photonen andert sich.

– Bei hohen Energien von 1,022 MeV bis 6 MeV konnen die Photo-nen Elektron-Positron-Paare erzeugen, die dann ihrerseits Energiedurch Bremsstrahlung verlieren oder nach gegenseitiger Vernichtungzu Photonen diese in eine andere Richtung als der Einfallsrichtungdes Strahls streuen. Es kann eine Kaskade solcher Ereignisse entste-hen, die man auch elektromagnetischen Schauer nennt.

– In hoheren Bereichen von 2,18 bis 16 MeV konnen die Photonen dieEnergie durch den Kernphotoeffekt verlieren. Dieser beinhaltet (γ,n)-und (γ,p)-Reaktionen. Ein Photon wird also im Atomkern absorbiertund ein Neutron oder ein Proton freigegeben.

– Bei noch hoheren Energiebereichen kann der Energieverlust durchPhotodesintegration vonstatten gehen, also der Atomkernspaltungdurch ein absorbiertes hochenergetisches Photon.

Die Abschwachung eines Photonenstrahls erfolgt exponentiell mit der Ein-dringtiefe gemass folgendem Gesetz:

I(x) = I0e−µx

I(x) ist hier die Intensitat bei Eindringtiefe x, I0 die Intensitat des einfal-lenden Strahls und µ der Absorptionskoeffizient, eine materialabhangigeGrosse, die die Wirkungsquerschnitte fur die einzelnen moglichen Wech-selwirkungsprozesse der Photonen enthalt.

22

Page 25: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Kapitel 2

Die Materialien meinerNebelkammer

2.1 Trockeneis

Trockeneis ist der feste Zustand von CO2und hat unter irdischen Druckbe-dingungen eine Temperatur, die -78,4 Grad nicht ubersteigt. Es ist weissund geruchslos und schwerer als Wasser. Bei einem normalen irdischenDruck geht Trockeneis entsprechend seinem Namen direkt in den gasformi-gen Zustand uber (Sublimation). Will man Trockeneis herstellen muss manzunachst CO2 unter Druck verflussigen und danach sehr schnell expandie-ren. Ein Teil verdampft und kuhlt den Rest durch Verdunstungskalte wiebeim Prozess des Schwitzens. Der entstehende CO2-Schnee wird dann indie gewunschte Form gepresst. Bei meiner Nebelkammer ist Trockeneisideal aufgrund der tiefen Temperatur, die mit anderen Kuhlmethoden,wie den Peltierelementen, nicht erreicht werden kann. Mit der tieferenTemperatur lasst sich ein grosseres Ubersattigungsgebiet herstellen. DieHandhabung ist leicht da sich der Stoff nicht verflussigt bei Raumtempera-turen. Flussiger Stickstoff ist als Kuhlmethode aufwendiger zu installieren(Rohrleitungen etc.) und man kann sich auch leichter verletzen aufgrundder Tatsache, dass Tieftemperatur-Flussigkeiten schlechter zu kontrollie-ren sind. Das Gas CO2 ist ungefahrlich in uberschaubaren Mengen unddaher ein weiterer Vorteil.

23

Page 26: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Trockeneis

2.2 Styropor

Bestandteil von Styropor ist Polystrol, der ein transparenter, amorpheroder teilkristalliner Thermoplast ist. Er ist ein weltweit verbreiteter Kunst-stoff mit zahlreichen Verwendungen. Er ist wenig warmebestandig, UV-lichtempfindlich und nur bis zu Temperaturen um die 70 Grad zu ver-wenden. Die Ubergangstemperatur zum glasformigen Zustand liegt ca.bei 100 Grad und die Schmelztemperatur bei uber 250 Grad. Styroporeignet sich zur Warmeisolierung und wird bei meiner Nebelkammer zurIsolierung des Trockeneis von der Aussenluft verwendet, damit die Kuhl-leistung optimiert wird und das Trockeneis langer fest bleibt. Die geringeDichte des Styropors halt das Gesamtgewicht der Nebelkammer klein, sodass sie tragbar bleibt. Das Material lasst sich auch leicht verarbeiten. Solasst sich zum Beispiel hier leicht ein Reservoir rausschneiden fur das Tro-ckeneis. Die Bestandigkeit gegen Chemikalien ist temperaturabhangig, istaber gegen Alkohole in jedem Falle gut, was bei der Nebelkammer nutzlichist, falls doch mal etwas Alkohol austritt.

24

Page 27: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Styroporblock

2.3 Kupfer und Stahl

Kupfer ist ein Metall der Ordnungszahl 29. Es ist weich und gut formbarund ist ein ausgezeichneter Strom- und Warmeleiter, was in meinem Expe-riment ausgenutzt wird, um dem Boden eine gute Temperaturleitfahigkeitzu geben, so dass das Trockeneis eine gute Wirkung erzielt. Das Metall istkaum reaktiv und gehort deshalb zu den Edelmetallen. Das ist von Vorteilbei der Nebelkammer, da der Alkohol auf die Kupferplatte gegeben wird.Siede- und Schmelzpunkt liegen uber 1300 Kelvin und tiefe Temperaturenwie die des Trockeneises stellen kein Problem dar. Das Material ist diama-gnetisch, was bedeutet, dass sich ein angelegtes Magnetfeld kaum andertbeim Durchdringen. Mit Magnetfeldern kann man verschiedene Teilchenaufgrund des unterschiedlichen Ablenkradiuses auseinanderhalten. Auchdie Geschwindigkeit lasst sich dadurch messen. Die magnetische Fluss-dichte wird durch das Anlegen eines Magnetfeldes minimal schwacher. DasGerust der Kammer ist aus rostfreiem Stahl. Stahl besteht hauptsachlichaus Eisen und einem geringen Anteil bis 2,06 Prozent aus Kohlenstoff. DasMaterial hat einen sehr hohen Schmelzpunkt uber 1500 Grad. Rein che-misch betrachtet handelt es sich um eine Legierung aus Eisen und Eisen-carbid. Bei hoheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen,wobei der Kohlenstoff dort in Form von Graphit vorliegt.

Kupfer

2.4 Glas

Glas ist ein amorpher Feststoff, der als unterkuhlte Flussigkeit gilt. BeimHerstellen wird der flussige Stoff so schnell abgekuhlt, dass sich keine kris-

25

Page 28: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

talline Struktur bilden kann, sondern ein amorpher Feststoff daraus wird.Beim Quarzglas handelt es sich um eine Siliziumoxidart. Fur die Nebel-kammer wurden gewohnliche Glasscheiben verwendet. Im untenstehendenBild sind die weissen grosseren Atome die Siliziumatome und die kleinerenschwarzen die Sauerstoffatome.

Struktur von Quarzglas

2.5 Propanol-2

Propanol-2 ist ein schnell verdunstender, farbloser und brennbarer Se-kundaralkohol, der mit Wasser in jedem Verhaltnis mischbar ist. DerSchmelzpunkt liegt bei -88 Grad, der Siedepunkt bei 82 Grad. Diese Be-dingungen sind ideal fur den Gebrauch als Dampf in der Nebelkammer,da in dem dortigen Temperaturbereich stets ein Koexistenzbereich vonFlussigkeit und Gas besteht, der Bedingung fur eine mogliche Ubersatti-gung darstellt. Auch die schnelle Verdunstung ist nutzlich, da man denDampf haben will. Die Summenformel lautet C3H8O.

Struktur von Propanol-2

26

Page 29: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

2.6 Organischer Szintillator

Szintillatoren wandeln die Energie, die durch Ionisation von geladenenTeilchen deponiert wird, in Licht um, welches durch Photomultiplier in einelektrisches Signal umgewandelt wird. Dabei werden Molekule angeregt,die ihre Anregungsenergie in Form von Licht abgeben. Bei organischenSzintillatoren, die aus Plastikmaterial bestehen, ist ein Fluoreszenzstoffbeigemischt, der nach Anregung UV-Strahlung abstrahlt. Zusatzlich mussnoch ein Wellenlangenschieber (absorbiert eine Wellenlange und strahlteine grossere ab) zugefugt werden, da UV-Strahlung eine geringe Reich-weite im Medium hat. Diese Art Detektor dient zur Laufzeitmessung oderzur Energiemessung, wenn der Detektor die gesamte Energie aufnehmenkann. Die Energie ist dann proportional zur Lichtmenge, die im Photomul-tiplier angezeigt wird. Die Intensitat kann ebenfalls gemessen werden. Sieist proportional zur Lichtmenge pro Zeiteinheit. Bei meiner Nebelkammerkommt der organische Szintillator uberhalb und unterhalb der Kammervor. Er detektiert ein Teilchen, wenn es den Deckel und kurze Zeit spaterden Boden erreicht. Da die Teilchen sehr schnell sind und die Nebelspurim Vergleich viel langer existiert, kann man somit eine Koinzidenz schal-ten, also ein Signal erzeugen nur dann wenn am Deckel und am Boden einSignal erzeugt wird. Dann kann man in diesen Fallen, wenn also ein Teil-chen durchgeflogen ist und eine Spur erzeugt hat, einen Piepton erzeugenoder eine automatische Aufnahme machen.

2.7 Photomultiplier, AND-Element und Dis-kriminator

Ein Photomultiplier wandelt das Signal eines oder mehrerer Photonen inein elektrisches Signal um. Dabei schlagt das Photon ein Elektron auseiner Photokathode gemass dem Photoeffekt heraus. Dieses wird danndurch eine angelegte Spannung beschleunigt und trifft wieder auf eineElektrode (sogenannte Dyoden). Dabei schlagt es erneut Elektronen ausdem Material und es entsteht eine zunehmende Kaskade von Elektronen.Die Dyoden befinden sich auf immer grosser werdenden Potentialen. AmSchluss fliessen die Elektronen uber einen Widerstand ab und erzeugeneinen Spannungsabfall, dass das elektrische Ausgangssignal ergibt. DieVervielfachung der Elektronen und damit die Verstarkung des Endsignalsist direkt proportional zur Intensitat des Lichtes, vorrausgesetzt ein be-stimmter Sattigungswert ist nicht erreicht. Die Vervielfachung wachst ex-ponentiell mit der Anzahl der Dyoden. Gibt es anfangs drei Elektronen undzehn Dyoden kann man ca. 310 Elektronen erwarten. Bei der Nebelkammerwird das Signal der beiden Szintillatoren in ein elektrisches umgewandelt,dass dann uber ein AND-Element, welches nur Strom durchlasst, wennvon beiden Szintillatoren ein Signal kommt, geleitet wird. Dann bekommt

27

Page 30: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

man Koinzidenz, vorrausgesetzt das Signal hat einen bestimmten Wertuberschritten. Ein Diskriminator ist solch ein Element, was nur ein Signalab einem bestimmten Wert durchlasst. Er wird ebenfalls bei der Nebel-kammer verwendet, um nur die richtigen Signale zu erhalten. Wurde mansolch ein Element weglassen, hatte man zuviele Storsignale von den un-terschiedlichsten Signalen wie zB. Radiowellen.

Bild eines Photomutipliers

Skizze des Aufbaus eines Photomultipliers[12]

28

Page 31: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Kapitel 3

Konstruktion und Baumeiner Nebelkammer

3.1 Provisorium

Vor dem Bau der eigentlichen Nebelkammer baute ich eine Probenebel-kammer mit einfachem Aufbau. Dazu nahm ich eine PVC-Rohre mit ca.10 cm Querschnittsflache, 2cm Dicke und 15cm Hohe. Styropor wurde mitTrockeneis befullt und am Deckel ein Stuck Schaumstoff mit Propanolgetrankt. Der Deckel sowie der Boden wurde dann mit einer Aluminium-platte (1cm dick) bedeckt. Leider konnte weder Nebel noch Teilchenspurengesehen werden. Das PVC bekam Risse und erwies sich als untauglich undunvertraglich mit dem Temperaturgradienten und versprodete bereits bei-5 Grad Celsius. Dass kein Nebel gesehen werden konnte lag im Endeffektan der mangelnden Beleuchtung (eine einfache Halogenlampe mit grossemBeleuchtungswinkel)und der schlechten Sicht durch das versprodete PVC.Auch der Schaumstoff erwies sich als unbrauchbar, da er zu wenig Dampffrei gab aufgrund der Kapillarwirkung. Besser sollte also eine Art Teppichoder Samt sein. Zu sehen war allerdings, dass das Styropor als idealerBehalter fur das Trockeneis und als Warmeisolator dienen kann, denn dasTrockeneis konnte viele Stunden benutzt werden und der Temperaturgra-dient von -30 Grad zu 30 Grad aufrechterhalten werden. Da die Hohe desBereiches, bei dem der Dampf ubersattigt ist, vom Temperaturgradientenabhangt, war bereits hier klar, dass eine tiefere Temperatur am Bodender Kammer wunschenswert ist. Mit der relativ dicken Aluminiumplattekonnte also nur -30 Grad unmittelbar auf der Platte erreicht werden. AusKostengrunden beliess ich es zunachst bei einer Aluminiumplatte, denndas besser warmeleitende Metall Kupfer ist um einiges teurer.

29

Page 32: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

3.2 Konstruktion und Bau der ersten Nebel-kammerversion und die Versuchsdurchfuhrung

Ich entschloss mich nach einiger Uberlegung aus Stabilitatsgrunden einwurfelformiges Gerust aus Winkelleisten zu bauen, in das man dann dieSeiten einkleben kann, also zum Beispiel Glas. Ich entschied mich fur40cmx40cmx40cm, also eine symmetrische Kammer, was den Bau verein-facht, da alle Bauteile die selben Masse haben. Da Glas zerbrechlich unterSpannung ist, musste das Gerust aus stabilem Material sein, sehr tempe-raturbestandig (von ca. -80 bis 40 Grad) sein und von Propanol-2 nichtangegriffen und zersetzt werden. Die Warmeleitfahigkeit sollte auch nichtzu hoch sein, da sonst zuviel Warme vom Deckel zum Boden fliessen wurdeund den erforderlichen Temperaturgradienten zu Nichte machen wurde.Ich kaufte schliesslich Winkelleisten aus rostfreiem Stahl. Dieser hat eineWarmeleitfahigkeit λ [W/mK] von ca. 48-58 im Vergleich zu Aluminiummit 221 oder Kupfer mit 350-370. Es sollte also nicht zu viel Kuhlwirkungverloren gehen. Fur die Seiten nahm ich zunachst 2mm dickes entspie-geltes Glas, welches mit Silikonkleber, der sehr temperaturbestandig unddehnfahig ist, in das Gerust von innen eingeklebt wurde. UberlaufenderKleber wurde mit Propanol abgewischt. Ich nahm fur den Boden zunachsteine 0,8 cm dicke Aluminiumplatte und fur den Deckel eine etwas dunne-re (0,4cm dick). Die Warmeleitfahigkeit sollte ausreichen, um einen fureine Ubersattigung erforderlichen Temperaturgradienten zu erreichen, al-lerdings dauert die Abkuhlung langer als bei einer dunnen Kupferplatteund der Gradient ist schwacher. Der Boden und der Deckel sollten ab-nehmbar sein zum Befullen mit Propanol und radioaktiver Quelle sowiezum eventuellen Austausch der Bodenplatte mit einer besseren. Dies ge-schah mittels Verschraubung. Damit der Innenraum luftdicht ist, wurdeein Gummi (ca. 1mm) zurechtgeschnitten und dazwischen gelegt. So konn-te auch Austritt von Propanol verhindert werden. Bei der Verschraubungvon den Aluplatten gab es Sprunge in zwei der vier Glasscheiben. Dies ge-schah dadurch, dass das Stahlgerust minimal nachgab beim Verschraubenund dadurch Zugkrafte entstanden. Somit war klar, dass bereits geringeZugkrafte durch die Verschraubung ausreichen, um das Glas unbrauchbarzu machen. Da es eine langere Zeit gedauert hatte bis man neue Scheibenbestellt hatte und die alten verklebten rausbekommen hatte, machte icheinen Probeversuch. Trockeneis in Styropor diente als Kuhluntergrund,darauf kam die beschadigte Kammer. Ich konnte lange Zeit keinen Nebelentdecken, erst als ich einen besseren Stoff (Samt) nahm, der mehr Fasernhatte, und deutlich mehr Propanol darauf tat als zuvor. Als Beleuchtungdiente eine starke Halogenlampe. Der Nebel war allerdings nur schwach zuerkennen und von Nebelspuren war nichts zu sehen. Ich versuchte heraus-zufinden, warum keine Spuren zu sehen waren. Der Temperaturgradientwar ausreichend mit -30 Grad auf dem Boden und 30 Grad unterhalb desDeckels. Auch das Propanol-2 stellte sich laut Theorie als das richtige Ma-

30

Page 33: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

terial heraus, um Nebelspuren zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt hatte ichmehrere Ideen, warum es nicht funktionierte, die ich dann systematischuberprufte. Die Risse im Glas sollten eigentlich keinen grossen Austauschmit der Umgebungsluft ausmachen. Ware dies aber doch der Fall, konntePropanoldampf entweichen und der Temperaturgradient wurde sich even-tuell verschlechtern. Da die Risse fur die Optik der Kammer sowieso nichtin Frage kamen, entschied ich mich, die beschadigten Glaser rauszubre-chen und sie mit Polycarbonatscheiben zu ersetzen. Diese sind stabilerund bruchsicherer. Die Vertraglichkeit mit Propanol sollte ebenfalls gutsein, sowie die Bestandigkeit gegen grossere Temperaturgradienten. DieWarmeleitfahigkeit ist ahnlich wie bei Glas verschwindend gering. Theo-retisch sollte es mit dickeren Glasscheiben und einer Verklebung anstattVerschraubung des Bodens (geringere Spannungen) ebenfalls moglich sein,mit dem bestehenden Gerust eine Nebelkammer zu bauen. Das Risiko, dasses schief ging, war mir nach dem ersten Fehlversuch aber zu hoch. Ich be-stellte daraufhin noch eine Kupferplatte, um die Kammer zu verbessern,da die Hohe des Nebelbereiches nicht besonders gut war. Das Stahlgerustzeigte uberraschenderweise Rost, obwohl die Leisten im Baumarkt als rost-frei verkauft wurden. Daraufhin musste das Gerust poliert werden und mitRostschutzmittel behandelt werden, um eine weitere Verrostung zu ver-hindern. Die Polycarbonatscheiben und die Kupferplatte klebte ich dannmit einem speziellen Plastik-und Metall-Kleber namens MEM aus demBaumarkt ein und ein Stuck schwarzer Samt wurde auf die Unterseite desAluminiumdeckels geschraubt. Wahrend der Kleber trocknete, wurde derStyroporuntergrund mit Samt verkleidet, um Abbrechungen des Styroporsbeim Tragen zu verhindern und um die Optik zu verbessern. Da der Deckelaufgrund eines leichten Verzugs des Stahls nicht genau auflag, wurde nochein zusatzlicher Aluminiumrahmen auf die Oberseite des Wurfels geklebt,so dass der Deckel perfekt passte. Schliesslich machte ich einen neuen Pro-beversuch. Der Nebel war besser zu sehen und die Hohe des Nebelbereichswar ebenfalls verbessert. Ich konnte am Boden -50 Grad messen, was alsoauf die Kupferplatte zuruckzufuhren war. Nebelspuren waren nach wie vornicht zu sehen und ich musste weiteruberlegen. Vielleicht war die Dich-te des Nebels zu gering. Ich erwarmte den Deckel mit einer Warmflascheund erkannte, dass der Nebel minimal feiner wurde. Schliesslich erwarmteich den Deckel mit einem Heizelement auf 35 Grad. Ich bemerkte kei-nen Unterschied. Ich erkannte desweiteren, dass der MEM-Kleber alleinedie Kupferbodenplatte nicht perfekt hielt und sie sich teilweise abloste,woraufhin ich sie provisorisch mit Isolierband festklebte. Perfekt luftdichtmusste die Kammer nach Uberlegung nicht sein, da nur grossere Undich-tigkeiten zu viel Propanol entweichen liessen, Ionen eindringen liessen unddas Temperaturgefalle beeinflussen wurden. Die Ubersattigung sollte alsostattfinden. Blieb noch die Beleuchtung ubrig. Die Lampe schien eigentlichgut zu sein, eine leistungsstarke Halogenlampe, die sehr hell schien. Ichwechselte sie mit einem Diaprojektor aus, dieses Licht erschien konzen-trierter auf einen gewissen Bereich, allerdings weniger leistungsstark als

31

Page 34: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

die andere. Da sie aber auf einen kleinen Bereich starker leuchtete, konnteder Nebel deutlich besser gesehen werden. Es waren immer noch keine Spu-ren von kosmischen Teilchen zu sehen, auch ein Alphastrahler hinterliesskeine Spuren. Ich uberlegte, ob es vielleicht zu viele Ionen in der Kammergab, die sich mit dem Propanol banden, so dass zuwenig Propanolmolekuleubrigblieben fur die Ionisation und folglich zur Spurenbildung. Die Tatsa-che, dass keine einzige Nebelspur zu sehen war, sprach eindeutig dagegen.Soviele Ionen konnten unmoglich in der Kammer sein, zudem stellte sichdie Frage, woher diese in diesem Ausmass hatten stammen sollen. Somitblieb fur mich nur eine einzige Moglichkeit ubrig. Der Nebel war zu dicht,so dass sich die Spuren nicht vom Hintergrund unterscheiden konnten. Ichwartete darauf, dass einiges Propanol zu Boden verdampft war. Der Samt-stoff war nur noch leicht getrankt mit Propanol. Schlussendlich konnte ichtatsachlich plotzlich samtliche Nebelspuren sehen und die Ursache fur dasAusbleiben war damit gefunden: Die Beleuchtung und der zu dichte Ne-bel. Mit der vorherigen Lampe war in der Kammer uberhaupt kein Nebelmehr zu sehen zu diesem Zeitpunkt, was die entscheidende Bedeutung derBeleuchtung unterstrich. Die Nebelspuren konnten ca. eine Stunde beob-achtet werden bis schliesslich zu wenig Propanol zum Verdampfen im Stoffubrigblieb. Ich untersuchte im weiteren Verlauf, wie sich die Erwarmungdes Deckels auf die Nebelspuren auswirkte. Ich konnte keine Abhangig-keit von der Erwarmung feststellen, lediglich der dichtere Nebel vor derSpurenbildung, der sich nach dem Schliessen der Kammer bildet, zeig-te sich minimal dichter. Wenn die Dichte aber so gering war, dass manNebelspuren sah, anderte sich diese Dichte auch nicht mehr mit der De-ckelerwarmung auf 35 Grad. Die Temperatur wurde am Boden sowie amDeckel mit einem einfachen Thermometer gemessen, das dort befestigtwurde. Wenn man den Samtstoff nur leicht nassmacht, dauert es ca. 20Minuten bis sich die ersten Nebelspuren erkennen lassen. Allerdings mussman fruher nachfullen, als wenn man den Stoff volltrankt. Trankt man ihnvoll, dauert es ca. 30-40 Minuten bis Spuren sichtbar werden. Es gab hieralso mehr Flussigkeitstropfen in der Kammeratmosphare, so dass man dieSpuren eine langere Zeit nicht vom Hintergrund unterscheiden konnte.

3.3 Bau der endgultigen Nebelkammer

Nachdem ich also wusste, wie man die Kammer bauen und bedienen muss-te, entschied ich mich eine bessere Kammer zu bauen. Die erste Kammerhatte ein nicht so hochwertiges Stahlgerust, was trotz Rostschutz viel-leicht anfallig werden wurde. Die Polycarbonatscheiben schienen leichtanfallig fur Kratzer von aussen und die Sicht war deshalb nicht perfekt,Glas ist also das geeignetere Material, falls es dick genug ist und kei-ne Zugkrafte wirken. Polycarbonat konnte aber auch verwendet werdenmit einer Schutzfolie, die Kratzer verhindert. Auch den Deckel wollte ich

32

Page 35: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

noch besser gestalten. Ich nahm dafur stabileren rostfreien Stahl und ver-klebte und verschraubte nach dem Fertigstellen eines Gerustes die Kup-ferbodenplatte zuerst. Dann klebte ich stabilere dickere Glasplatten einund machte schlussendlich den Aluminiumdeckel mit einer Dichtung. DerSamtstoff wurde wiederum unter den Deckel verschraubt. Zur Verbesse-rung der Kammer wurde noch eine Wanne mit einem innen angebrachtenWiderstand angefertigt und unter den Deckel montiert. An den Wider-stand wird eine Spannung angelegt, so dass er sich erwarmen kann. In dieWanne kann dann Propanol gegeben werden, dass durch die Erwarmungverdampft. Der Vorteil ist hierbei, dass mehr Propanol verwendet werdenkann und damit die Nebelkammer langer in Betrieb genommen werdenkann, ohne dass man nachfullen muss. Auch sollte es weniger storendegrossere Tropfen geben, wie sie bei einem Stoff durch die Schwerkraft ent-stehen. Ein weiterer Vorteil ist, dass man die Temperatur des Propanolsin der Wanne bequem variieren kann. Es stellte sich heraus, dass im Tem-peraturbereich von 35 Grad bis 60 Grad (gemessen im Propanol) Spurensichtbar waren, jedoch am besten im Bereich um die 45 Grad zu sehenwaren. Die Spuren waren deutlich besser und zahlreicher zu sehen als oh-ne Wanne. Ich legte zusatzlich noch eine Hochspannung an die Kammeran. Dies verbesserte die Funktionsfahigkeit der Kammer ebenfalls, da diegebildeten Flussigkeitstropfen bei den Nebelspuren sowie bei den storen-den Ionen aus der Luft nach ihrer Entstehung schneller abgefuhrt werden.In der gesattigten Zone in der Kammer wurden ebenfalls Ionen abgesaugtwerden, die keine Tropfchen gebildet haben. Somit wurden diese Ionengar nicht erst in die ubersattigte Zone gelangen und dementsprechend kei-nen storenden Nebel bilden. Die Kammer reagierte sehr sensitiv auf einAnschalten der Spannung von ca 500 Volt. Die Nebelspuren waren sofortbesser zu sehen, leicht ausgedehnt und leicht vergrossert. Man konnte so-gar kleine Fontanen sehen, die sich vermutlich durch die Hochspannung soweit nach oben bilden konnten. Kernreaktionen konnten hier die Ursachesein. Die Leistung des Widerstandes lasst sich mit einem Spannungsreglereinstellen, die Hochspannung ebenfalls mit einem anderen Regler. Absch-liessend machte ich noch ein Loch in den Deckel, damit man die Wannevon aussen nachfullen kann, ohne den Deckel abzuheben.

33

Page 36: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Skizze der Propanolwanne von oben mit Keramikwiderstand(rot)

34

Page 37: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Leistung und Strom des Widerstandes in Abhangigkeit von der Spannung

3.4 Szintillator, Diskriminator und Koinzi-denz

Ich fand zwei organische Szintillatoren und einen Photomultiplier im In-stitut und testete sie auf Funktionsfahigkeit. Ein Szintillator legte ich uberdie Kammer und einen darunter, um sehr schrage Spuren auszuschliessen.Es sollten also weitesgehend die senkrecht kommenden Teilchen detek-tiert werden. Ein AND-Element und ein Diskriminator wurden ebenfallsangeschlossen, so dass man nur ein Signal bekommen wurde, wenn beibeiden Szintillatoren ein Signal kommt und der Wert sich vom Hinter-grund abhebt. Daran lasst sich dann je nach Wunsch ein Zahler oder einPieptonelement daranschliessen. Die ganzen Bauteile wurden alle samt

35

Page 38: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Hochspannung in ein multifunktionales Gehause eingebaut. Da beim Be-trieb der Kammer sehr viele schrage Spuren gesehen wurden, kam ich zudem Entschluss, dass die zwei Szintillatoren zu wenig Teilchen, also nurdie Senkrechten, detektieren wurden. Deshalb setzte ich die Szintillatorenzur zusatzlichen Detektion dann doch nicht ein.

3.5 Materialliste der Endversion

– Propanol-2

– 4 Glasscheiben 40cmx40cm: cm dick

– 12 Winkelleisten aus rostfreiem Stahl: 40 cm lang, cm breit

– Gummidichtung

– 1 Kupferplatte 40cmx40cmx3mm

– Samtstoff und selbstklebender Samtstoff

– Schrauben

– 3 Styroporplatten 80cmx80cm

– Silikonkleber, Styroporkleber,Klebepistole

– 2 Plastikszintillatoren und 2 Photomultiplier

– AND-Element, Diskriminator, Hochspannungselement(bis zu 1kV)

– Diaprojektor

– 1 Warmeflasche oder Heizelement

– Trockeneis

– Aluminiumwanne, Kupfer- und Aluminiumdraht

3.6 Kurze aufgelistete Bauanleitung

– Styroporgehause anfertigen 61cmx61cmx12cm und Teilstucke even-tuell mit Styroporkleber zusammenkleben, 40cmx40cmx6cm mittigauschneiden fur die Befullung von Trockeneis,

– Verkleidung des Styropors mit selbstklebendem Samtstoff.

– Stahlgerust aus rostfreien Stahlwinkelleisten zusammenschweissen (40cmx40cmx40cm)

– 4 Glasscheiben oder Polycarbonatscheiben schneiden (40cmx40cmx0,5cm)

– 1 Kupferplatte (39,8cmx39,8cm) als Bodenplatte von innnen untenmit Silikonkleber ankleben und verschrauben, Kleber harten lassen

– Die Glasscheiben als Seitenwande mit Silikonkleber von innen einkle-ben und jeweils ausharten lassen.

– Die Deckelaluminiumplatte schneiden, Schraubengewinde machen undeine Gummidichtung anfertigen.

36

Page 39: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

– Die Aluminiumwanne und ihre Befestigung anfertigen und unter denDeckel montieren.

– Den Boden schwarz farben (oder alternativ mit schwarzem Stoff be-decken) zum besseren Erkennen des Nebels.

– Elektronische Elemente,zwei Multimeter, Stromkreislauf der Heiz-wanne und Projektor anschliessen.

– Propanol-2 in die Wanne einfullen, Deckel verschrauben und Tro-ckeneis in das Styropor fullen.

37

Page 40: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Kapitel 4

Bilder der Nebelkammersowie einiger Bauteile

Aufbau der ersten Nebelkammer mit Polycarbonatfenstern

38

Page 41: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Diaprojektor

Styroporboden mit Trockeneis befullt

39

Page 42: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Stahlgerust der zuerstgebauten Kammer

Szintillator

40

Page 43: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Die Wanne und der Hochspannungsdraht

Die fertige Kammer (darauf zwei Multimeter zur Temperatur- und Span-nungsanzeige)

41

Page 44: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Kapitel 5

Bilder vonaufgenommenen Spuren

Nahaufnahme des Nebels, rechts unten ist eine Nebelspur zu sehen

42

Page 45: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Nahaufnahme des Nebels, in der Mitte ist eine langliche Nebelspur zu se-hen

Nahaufnahme einer Spur, es handelt sich wahrscheinlich um ein Proton

43

Page 46: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Nahaufnahme einer Spur, es handelt sich wahrscheinlich unten um einProton und oben links um ein Elektron oder Myon

44

Page 47: Bau einer Di usionsnebelkammer mit Trockeneis · Kapitel 1 Grundlagen 1.1 Allgemeine Funktionsweise und Aufgabe ei-ner Nebelkammer Die Nebelkammer stellt einen Teilchendetektor dar,

Literaturverzeichnis

[1] http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/halbleiter/VOSkriptum/VO-2-Wechselwirkungen.pdf

[2] http://www.kph.uni-mainz.de/lectures/ostrick/ss2006/folien2.pdf

[3] http://www.angelaschule-osnabrueck.de/downloads/unterricht/ph/nebelkammer.pdf

[4] http://www.oulu.fi/∼ spaceweb/textbook/crays.html

[5] http://www.federmann.co.at/vfhess/Kapitel/6 1.html

[6] http://www.youtube.com/watch?v=UAi-d41q6J4

[7] http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web ph12/versuche/11nebelkammer/anim troepfch.htm

[8] http://www.zum.de/dwu/pap107vs.htm

[9] http://pdg.lbl.gov/2006/reviews/passagerpp.pdf

[10] http://www-user.tu-chemnitz.de/ leda/Nebelkammer.htm

[11] http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web ph12/versuche/11nebelkammer/index.htm

[12] www.wikipedia.de

[13] http://www.meteoroids.de/wiss met b.htm

[14] http://www.solstice.de/grundl d tph/exp detek/exp detek 01.html

[15] http://kworkquark.desy.de/lexikon/lexikon.nebelkammer/1/index.html

[16] http://www.ptb.de/de/org/6/64/flugdosis/hoehenstrahlung/hoehe.htm

[17] http://www.jufo-hermannsburg.de/pdfs/1992-nebelkammer.pdf

[18] www.roro.muc.kobis.de

[19] Povh-Rith: Teilchen und Kerne

[20] W.R.Leo: Techniques for nuclear and particle physics experiments

45