Energieverlust durch Ionisation - DESY

Energieverlust durch Ionisation

Energieverlust eines Teilches beim Durchgang durch Materie:

E

E-dE

dx

Teilchen (Masse M)

Landau–Verteilung verschiedener gemessener dE/dx–Werte:

dE/dx (keV/cm)

Landau distribution ofminimum ionising pions

p = 400 - 800 MeV/c(dE/dx)mp = 6.8 keV/cm

most probable dE/dx

→ 30% of highest chargetruncated

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 17

Energieverlust geladener Teilchen in Materie

Charakteristische Abhangigkeit des mittleren Energieverlustes

von β oder γ bei gegebener Masse:

const

~ log

minimalionisierend

γ +

dE

2

dxρ

γ=3.6β=0.96

∼1/β

log (E/m= γ)

1-2 MeV cm /g

2

Messungen der Ionisation von Teilchen mit dem OPAL–Detektor

am LEP (CERN):

6

8

10

12

14

16

18

10-1

1 10 102

p (GeV/c)

dE/d

x (k

eV/c

m)

dE/dx-resolution:(159 samples)

µ-pairs: 2.8 %min. ion. π: 3.2 %

p

K

π

µ

eµ-pairs


Reichweiten und Energiedeposition

Teilchenzahl und Energieverlust pro Weglange als Funktion der im Medium

zuruckgelegten Strecke:

dE

dx

x

N

x

dN ~ N dx

Energieverlust pro Weglange im Korpergewebe. Die Uberhohung am Ende

kann gezielt zur maximalen lokalen Energiedeposition genutzt werden:


Reichweiten

Spuren von α–Teilchen in einer Nebelkammer; die scharf be-

grenzte Reichweite liegt an der gleichen Energie der emittierten

α–Teilchen:

Reichweiten von Elektronen, Protonen und α–Teilchen in Luftund Wasser:

Teilchen Energie Reichweite [m][MeV] Luft Wasser

Elektronen 0.1 0.13 1.4 · 10−4

1.0 3.80 4.3 · 10−3

10.0 40.0 4.8 · 10−2

Protonen 0.1 1.3 · 10−3 1.6 · 10−6

1.0 2.3 · 10−2 2.8 · 10−5

10.0 1.2 1.5 · 10−3

α–Teilchen 0.1 1.2 · 10−3 1.4 · 10−6

1.0 5.0 · 10−3 6.1 · 10−6

10.0 9.5 · 10−2 1.2 · 10−4


Elektron–Bremsstrahlung

Feynmanngraph der Bremsstrahlung:

Ze

γe-

Energieverlust durch Ionisation und Bremsstrahlung fur Elektro-

nen als Funktion der Energie:

Strahlungslangen und kritische Energien:

Material Z x0 [mm] Ek [MeV]

H2O 1/8 361.0 92.0

Al 13 89.0 51.0Fe 26 17.6 27.4

Pb 82 5.6 9.5


Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photoeffekt:-eγ

Compton–Effekt:

Z

-

γe

’

θ

γPaarbildung:

e

e

γ

Ze

-

+

Absorptionskoeffizient pro Schichtdicke von Photonen in Blei:


Linearbeschleuniger

Beschleunigung von Elektronen im elektrischen Feld; Prinzip

des Kathodenstrahloszillographen:

K A

U

Elektronen

+-

Prinzip eines Hochfrequenz–Linearbeschleunigers:

-

E

E

z

++ -

-

e-

e


Kreisbeschleuniger

Prinzip eines Zyklotrons (Seitenansicht und Schnitt):

��

��

Magnetjoch

B HF

��

��

Prinzip des Synchrotrons:

Ejektion Dipolmagnete

..HF-Kavitaten

Det

ekto

r

Target

Injektion


Speicherringe

Prinzip des Speicherringes (Synchrotron):

Detektor

Wechselwirkungszone

Die großten derzeit laufenden und geplanten Beschleuniger:

Name / Umfang / Lange Teilchen EStrahl Ecm

Ort [km] [GeV] [GeV]

LEP (beendet) 27 e+↔ e− 100 / 100 200

CERN (Genf) Synchrotron

SLC 3 e+↔ e− 50 / 50 100

Stanford (USA) Linearbeschleuniger

Tevatron 6 p ↔ p 1000 / 1000 2000FNAL (Chicago) Synchrotron

HERA 6.4 p ↔ e± 920 / 30 320DESY (Hamburg) Synchrotron

LHC (im Bau) 27 p ↔ p 8000 / 8000 16000CERN (Genf) Synchrotron

TESLA (Planung) 33 e− ↔ e+ 500 / 500 1000DESY (Hamburg) Linearbeschleuniger


Nebel–, Blasen und Ionisationskammern

Prinzip der Nebelkammer und Aufnahme eines Schauers, der

von einer Bleiplatte ausgelost wird:

Prinzip der Ionisationskammer und Ausfuhrung zur Dosimetrie

in der Medizin:

-+

I

U


Proportionalkammern

Geiger–Muller Proportionalzahlrohr:

E~1/r

-

Kathode

USignal

Anode

+

Prinzip der Vieldrahtproportionalkammer (MWPC, multi wire

porportional chamber):

(Ο ∼ 20 µ)/Anoden

Kathode

~ 1

cm

~ 2 mm


Driftkammern

Prinzip der Driftkammer:

Struktur eines Sektors der Driftkammer des Experimentes JADE

(DESY): die Sektoren werden zur zylindrischen Kammer zusam-

mengesetzt, mit der man dann die Spuren der e+e− Reaktionen

nachweisen konnte (rechts):


Halbleiter– und Szintillationszahler

Prinzip der Halbleiterdiode (in Sperrichtung) und Querschnitt

durch einen Silizium–Streifen Detektor:

Verarmungszone

p n+-

��

��

��

��

Anordnung des Szintillationszahlers: szintillierende Platte, Licht-

leiter und Photovervielfacher:


Ionisationsmessung und Cherenkov–Effekt

Energieverlust durch Ionisation: Spuren von Teilchen mit unter-

schiedlichen Massen und Energien in einer Photoplatte:

Ausbildung der Cherenkovstrahlung:


Kalorimeter, Strahlungs– undWechselwirkungslangen

Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers als Abfolge

von Bremsstrahlungs– und Paarbildungsprozessen:

��

��

e (E )o

Elekromagnetische Strahlungslangen x0 und hadronische Wech-

selwirkungslangen λ:

Material Z A ρ[g/cm3] x0[cm] λ[cm]

Al 13 27.0 2.70 8.90 39.41

Fe 26 55.8 7.87 1.76 16.76

Cu 29 63.5 8.96 1.43 15.06

Pb 82 207.2 11.35 0.56 17.09


Das HERA–Experiment H1

Der H1–Detektor am HERA–Ring bei DESY. H1 ist ein Kollisions–

Experiment, das viele physikalische Prozesse gleichzeitig messen kann.


Das

HERA–Exp

erim

ent

HERA

B

Der

Hera

B–D

etektor.H

ERA

Bist

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auf

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Pro

zessebereits

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ufb

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urd

e.

Das HERA-B Experiment

RICH

250 mrad

220 mrad

160 mrad

Magnet

Silizium Vertex- Detektor

TRDKalorimeterMyon Detektor

Target

0 m5101520

Photon Detektor

planare Spiegel

Draufsicht

Seitenansicht

Protonstrahl

Elektronstrahl

Protonenstrahl

Elektronstrahl

sphärische Spiegel

Vertextank

innere / äußere Spurkammern

C4ÊF10

Strahlrohr

Stru

ktur

der

Materie

II(L

),K

ern–

und

Teilch

enphysik

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