Jugend Forscht 2013, Fabiola Buschendorf.pdf

7/25/2019 Jugend Forscht 2013, Fabiola Buschendorf.pdf

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Inhaltsverzeichnis

1. Kurzfassung.......................................................................................................................1

2. Einleitung...........................................................................................................................2

2.1 Projektidee...................................................................................................................2

3. Hintergrundinformationen..................................................................................................3

3.1 Moderne Teilchenbeschleuniger..................................................................................3

3.1.1 raun!sche "#hre.................................................................................................3

$. %orbereitungs&hase...........................................................................................................$

$.1 Materialien........................................................................................................................$

$.2 au des Elektronenbeschleunigers.............................................................................'

$.2.2 Probleme und (ch)ierigkeiten.............................................................................*

'. %ersuchs&rotokoll.............................................................................................................1+

'.1 ,ufbau und -urchfhrung..........................................................................................1+

'.2 eobachtungen..........................................................................................................12

'.3 Ergebnisse.................................................................................................................12

/. %ergleich mit der raun!schen "#hre..............................................................................1$

*. 0azit und )eiterfhrende berlegungen..........................................................................1'

. -anksagung.....................................................................................................................1/

. 4iteratur5 und 6uellen7erzeichnis....................................................................................1*



2

1. Kurzfassung8n meinem Projekt 9%ersuche mit einem 4o)5:ost Teilchenbeschleuniger; 7ersuche

ich mit m#glichst einfachen und gnstigen Mitteln einen Elektronenbeschleunigernachzubauen und ihn auf seine 0unktion zu testen. -ieser eschleuniger< =hnlicheiner raun!schen "#hre< )urde bereits 7on mehreren (chlern meiner (chule im"ahmen 7on 0acharbeiten gebaut und )eiter 7erbessert. >edoch )urden diese nochnie unter Hochs&annung getestet. ?b die beschleunigten Elektronen gengendEnergie besitzen um eine 4euchtschicht anzuregen< einen messbaren (trom zuerzeugen oder ob das %akuum innerhalb der "#hre dafr stark genug ist< m#chte ichherausfinden. -abei erforsche ich< )ie hoch die 6ualit=t des %akuums fr die%ersuche sein muss und ob sich die drei Kom&onenten eschleunigungss&annung<Heizs&annung und -ruck ents&rechend der Er)artungen auf den (trom7erlaufaus)irken. 0unktioniert er genauso )ie ein hoch)ertiger eschleuniger@ Aas sind

seine %or5 und Bachteile im %ergleich mit der raun!schen "#hre@ -iese und )eitere0ragen )erden in der ,rbeit gekl=rt.

8ch hatte das Clck< dies in meinen Herbstferien 2+12 am :E"B in Cenf durchzufh5ren und dort unter der ,ufsicht eines etreuers mit Hochs&annung zu arbeiten. -abeihabe ich auch die M#glichkeit ergriffen< mir die 4inearbeschleuniger 7or ?rt anzu5schauen um mehr ber sie zu erfahren.

-ie Teile des eschleunigers )urden teil)eise ges&onsert< 7on der (chule geliehen<Duhause gefunden oder im aumarkt gnstig er)orben. -iese )urden zusammengel#tet oder mit starkem Kleber 7erklebt< sodass es fr jeden anderen (chler m#g5lich )=re ihn nachzubauen.

2. Einleitung

2.1 Projektidee

(chon seit einigen >ahren interessiere ich mich fr Teilchen5 und ,stro&hsik. -ie0rage nach dem Frs&rung unseres (eins< nach der 0unktion unserer Aelt oder denestandteilen meines K#r&ers l=sst mich einfach nicht los. -eshalb habe ich imHerbst 2+11 ein Praktikum im 2. 8nstitut fr Teilchen&hsik der Fni C#ttingen absol57iert. berall )ar die "ede 7on Teilchenbeschleunigern< 7om :E"B und 7om 4arge

Hadron :ollider< die genau das erforschen )as ich schon lange )issen )ollte. 8chhabe die :hance ergriffen und bin im 0rhling diesen >ahres durch das 9Betz)erkTeilchen)elt;< einer ?rganisation< die (chlern und 4ehrern die M#glichkeit gibt das:E"B n=her kennen zu lernen< fr ein &aar Tage nach Cenf gefahren und habe mitanderen >ugendlichen %ortr=ge und 0hrungen ber die aktuelle 0orschung besucht.

8n einem dieser %ortr=ge )urde eine kleine %ersion eines Tisch5Teilchenbeschleuni5gers gezeigt< der =hnliches kann )ie der 4H:< bloG mit niedrigeren Energien. (eitdem frage ich mich< ob ich selbst dazu f=hig bin einen 9Teilchenbeschleuniger; zubasteln. Kann ich< als (chlerin ohne eine 8ngenieursausbildung< ohne 7iel Celd frMagnete oder %akuumgeneratoren< Teilchen beschleunigen und diese nach)eisen@Ein eigener Teilchenbeschleuniger< das )=re )as



3

-araufhin kam mein 4ehrer< 0rank Knefel< auf die 8dee 7on den alten Elektronenbe5schleunigern< die erst durch ihn und dann 7on (chlern meiner (chule )eiterent)i5ckelt )urden. Einige funktionieren nicht und auch das letzte Modell )urde nie mit

Hochs&annung getestet< gesch)eige denn< die beschleunigten Teilchen nachge)ie5sen. 8ch habe mich also fr die Projekt)ochen des Betz)erks angemeldet und kannmeine ,rbeit nun am :E"B unter &rofessioneller ,ufsicht durchfhren.

3. Hintergrundinformationen

3.1 Moderne Teilchenbeschleuniger

-ie modernen Teilchenbeschleuniger )erden in 7ielen ereichen eingesetzt. Ent)e5der zu 0orschungsz)ecken ber das 8nnerste der Elementarteilchen< )ie im 4arge

Hadron :ollider I4H:J am :E"B in Cenf< zur medizinischen Fntersuchung mit "#nt5genstrahlen in Krankenh=usern oder in Elektroger=ten )ie z.. in "#hrenfernsehern.-ie sogenannten 9raun!sche "#hren;< die das Herzstck jedes "#hrenbildschirmesausmachen< sind =hnlich aufgebaut )ie der Elektronenbeschleuniger an dem ich for5sche. -eshalb ist es sinn7oll< diese einmal n=her zu betrachten.

3.1.1 raun!sche "#hre

-amit auf dem ildschirm eines 0ernsehers ein ild erzeugt )erden kann< ist hinterder Classcheibe eine raun!sche "#hre I,bb. 11J< oder auch 9Kathodenstrahlr#hren;genannt< angebracht. ,uch sie ist ein Elektronenbeschleuniger. (ie besteht aus ei5

nem luftdichten Claskolben< in dem ein st=ndiges %akuum 7orherrscht. ,us einem mitnegati7em Potential 7ersehenen Aehneltzlinder< in dem sich eine Clhkathode be5findet< treten Elektronen aus und )erden 7on einer gegenberliegenden ,node ange5zogen und somit beschleunigt. -er Dlinder dient der 0okussierung des Elektronen5strahls. -urch ihn kann auch die 8ntensit=t des (trahls 7er=ndert )erden. Hinter derersten ,node befindet sich eine ,blenk&latte. (ie erzeugt ein elektrisches 0eld< durchdas die Elektronen 7ertikal abgelenkt )erden k#nnen. >e nach Einstellung dieserPlatte< )erden die Teilchen mehr oder )eniger stark in die ge)nschte "ichtunggelenkt. Eine )eitere ,node sorgt dafr< dass die Elektronen )eiterhin beschleunigt)erden< bis sie durch eine z)eite ,blenk&latte in die horizontale "ichtung abgelenkt)erden k#nnen. (o kann der (trahl an jede (telle des 4euchtschirms treffen und

bringt die Phos&horschicht dort zum leuchten.2 ei einem 0arbbildschirm sind drei"#hren angebracht< an deren Ende 0arb&unkte der Crundfarben "ot< Crn und lauangeordnet sind. 0=llt der Elektronenstrahl auf einen dieser Punkte< )ird die Phos5&horschicht angeregt. Eine groGe ,nzahl derartiger sehr kleiner ild&unkte k#nnen7on dem menschlichen ,uge nur als ebenm=Gige 0l=che )ahrgenommen )erden.(o k#nnen auch Mischfarben erzeugt )erden.3 ,m Ende der ,rbeit )erde ich meinenElektronenbeschleuniger mit der raun!schen "#hre 7ergleichen.

1 Quelle: http://www.elektroniktutor.de/techno/crt.html , 6.1.2013

2 Vgl. http://www.elektroniktutor.de/techno/crt.html , 6.1.2013

3 Vgl. J. Grehn, J. Kru!e: "et#ler $h%!ik, &. 23'

http://www.elektroniktutor.de/techno/crt.html






(

4. Vorbereitungsphase

$.1 MaterialienBachdem klar )ar< )elches Projekt ich fr den Aettbe)erb durchfhren )erde< )ares zuerst n#tig eine 4iste aller Materialien anzufertigen< die ich fr den au ben#tige.Aie hoch die Kosten )erden und )o diese Cegenst=nde aufzufinden sind )urdedann in eine Tabelle eingetragen.

aterial enge Kosten !eschaffungsort

Ku&ferrohr d$cm 1+ cm ges&onsert Klem&ner

Messing7erschluss 1 ges&onsert Klem&ner

P%: (chlauchd$cm

2' cm 1<2 L aumarkt

P%: (chlauchd1cm

1+ cm +<22 L aumarkt

Ku&ferdr=hte /+ cm 5 Duhause

4sterklemme 1 5 Duhause

Clhdraht 1+ cm 5 (chule

Holz7erschlussd $cm

1 5 Duhause

Abbildung 1: Aufbau einer Braun'schen Röhre



'

aterial enge Kosten !eschaffungsort

(chraube 1 5 DuhauseFnterlegscheiben 2 5 Duhause

Mutter 1 5 Duhause

(chlauchschellend 325'+ mm

</ L aumarkt

25Kom&onenten5Kleber

ca. 2+ ml *<$ L aumarkt

4#tzinn 2+ cm 5 Duhause

4euchtschicht 2 cm 5 (chule

"esamt 19,59 €

Tabelle 1: Materialien und Kosten

8n den Aochen 7or dem :E"B5,ufenthalt konnte ich )=hrend der "obotik5,C mei5nes Phsiklehrers lernen zu l#ten< denn fr mein Projekt musste z.. die Fnterleg5scheibe< )elche als ,node fungiert< mit einem der Ku&ferdr=hte 7erl#tet )erden. DumClck )urden mir die teuersten Teile< das Ku&fer5 und Messingteil 7on der 0irmaKolkhorst und Möller in "ahden ges&onsert< sodass ich am Ende bloG et)a 2+ Lzahlen musste.

8ch habe mit meinem 4ehrer< Herrn Knefel< die %orgehens)eise )=hrend der %ersu5che mit dem eschleuniger durchges&rochen. ,uGerdem )urde noch ein ,ns&rech&5artner einer Fni7ersit=t in der B=he< der aus reiner 0ormalit=t 7om Betz)erk Teil5chen)elt gefordert )urde< ben#tigt. Dum Clck hat sich nach ein )enig (uche Prof.>ohannes Aessels der Fni Mnster dazu bereit erkl=rt. Einer seiner (tudenten< Pas5cal Hermes< der zur Deit am :E"B an seiner Masterarbeit arbeitet< bernahm dar5aufhin die "olle meines etreuers 7or ?rt. -ies )urde 7on (ascha (chmeling< einemder Koordinatoren der Projekt)ochen< organisiert.

,m -ienstagabend des . ?ktobers kam ich &er 0lieger am :E"B an. (chon amn=chsten Tag konnte ich meinen etreuer kennen lernen und so starteten )ir nach

einer kleinen es&rechung am -onnerstag mit dem au des Elektronenbeschleuni5gers.

4.2 !au des Ele#tronenbeschleunigers

,m :E"B konnte ich im 9Teacher!s 4ab;< einem ro ausgestattet mit Cer=ten frden schulischen Phsikunterricht< meinen eschleuniger bauen I,bb. 3J. -er ,ufbausoll folgendermaGen aussehenN



6

,n Position 1 befindet sich die Clhkathode< ein heiGer -raht aus dem Elektronenausgedam&ft )erden< =hnlich )ie bei der raun!schen "#hre. -ie Teilchen )erdendurch die ,node in Position 3 beschleunigt und sollen dann am Ende der "#hre aneiner (chraube IPosition $J als (trom nachge)iesen )erden. -ie %akuum&um&e

kann an Position ' angeschlossen )erden.Duerst habe ich den Messing (chraub7erschluss mit -ichtungsband um)ickelt< da5mit das %akuum in der "#hre nicht ent)eichen kann. -ann )urde der Clhdraht ausBickel :hrom5-raht mit +<2' mm -urchmesser ber einen dnnen Bagel ge)ickelt.(o hatte ich eine &assable Clhkathode mit et)a $+ Aindungen. -iese )urde dannin einen Kabelschuh geklemmt. ,uf der anderen (eite habe ich z)ei Ku&ferdr=hteangeschlossen I,bb. $J. (chlieGt man an diese -r=hte eine (&annungsOuelle an<dann erhitzt sich der Clhdraht und Elektronen )erden ausgestoGen. (ollte es &as5sieren< dass der Clhdraht durchbrennt< kann er jederzeit ausge)echselt )erden.(&=ter habe ich noch 7orsichtshalber die Kunststoffummantellung des Kabelschuhsentfernt< damit der heiGe -raht sie nicht zum (chmelzen bringt.

Abbildung 4: Kabelschuh in Messingdeckel Abbildung 3: Arbeitsplat i! "Teacher's #ab"

Abbildung $: %ertiger Teilchenbeschleuniger



)

-anach )urde der Holz7erschluss mithilfe eines Mitarbeiters 7om :E"B zurecht ge5s=gt und in ein gebohrtes 4och eine (chraube mit Mutter getan I,bb. 'J. 8m n=chsten(chritt habe ich die Fnterlegscheibe mit einem Ku&ferdraht 7erl#tet I,bb. /J. ,n die5

sem Ku&ferdraht soll eine Hochs&annungsOuelle einseitig angeschlossen )erden<)odurch die Fnterlegscheibe auf &ositi7es Potential gebracht )ird und die Elektro5nen aus dem Clhdraht anzieht.

-a ich leider keine M#glichkeit fand< das Ku&ferteil mit dem Messing7erschluss zu7erl#ten< habe ich sie mit D)ei5Kom&onenten5Kleber 7erklebt I,bb.2< Position 2J. Eshat sich herausgestellt< dass die %erbindung trotzdem fest genug und luftdicht ist.-ann )urde in den (chlauch das 4och fr das Ku&ferkabel der ,node und das 4och

fr den kleinen (chlauch zur %akuum&um&e gebohrt I,bb. 2< Position 3 und 'J.Bachdem die beiden Teile an ihre Position gebracht )urden< habe ich die 4#cherebenfalls mit dem D)ei5Kom&onenten5Kleber luftdicht 7erschlossen und ber Bachttrocknen lassen. Fm den groGen (chlauch )urden daraufhin (chlauchschellengebunden. -ie A#lbungen die jetzt im (chlauch sind sollen dafr sorgen< dassdieser nicht durch den Fnterdruck beim etrieb einf=llt. Mithilfe dieser (chellen)urde der (chlauch auch mit dem Ku&ferteil und dem Holz7erschluss 7erbunden.-afr )urde der P%:5(chlauch mit einem 0#hn erhitzt< damit er leichter ber dasKu&ferteil zu stl&en ist.

$.2.2 Probleme und (ch)ierigkeiten(o)eit )ar der Elektronenbeschleuniger fertig gebaut. Es )ar eigentlich ge&lant ihnam :E"B in etrieb zu nehmen und erste %ersuche zu starten< aber dafr fehltenoch ein )ichtiges Cer=tN eine %akuum&um&e. D)ar gibt es 7iele %akuum&um&enam :E"B< die einen beinahe &erfekten Fnterdruck 7on 10

−13 bar in den beiden(trahlrohren des 4H:$ erzeugen k#nnen< aber natrlich kann ich diese nicht fr mei5nen kleinen eschleuniger 7er)enden. Fnd da am :E"B normaler)eise keine(chul7ersuche durchgefhrt )erden< gibt es selbst im Teacher!s 4ab keine &assendePum&e. Trotzdem konnte ich eine Hand5%akuum&um&e ausfindig machen< die unter

( Vgl. http://www.lhc*+ct!.ch/inde.php-pgekuum , 21.12.12

Abbildung &: ol(erschluss a! )nde der

Röhre !it *chraube

Abbildung +: ,nterlegscheibe !it Kupfer-

draht - .ie Anode

http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=vakuum





kontinuierlichen Pum&en einen Fnterdruck 7on '++ mbar halten konnte. -araufhinsetzten ich und mein etreuer uns zusammen< um auszurechnen< )elcher Fnter5druck fr einen 7ernnftigen etrieb n#tig ist. Air fragten uns< )ie 7iele Elektronen<

die die ,node durchOueren ungehindert das %akuum &assieren und am Ende der"#hre an der (chraube durch ein ,m&eremeter nachzu)eisen )=ren. 8st das %aku5um n=mlich zu schlecht< d.h. ist der -ruck in der "#hre zu groG< befinden sich noch7iele 4uftmolekle in dem eschleuniger. -ie Elektronen stoGen gegen diese Mole5kle und geben ihre kinetische Energie an sie ab. (o k#nnen sie nicht mehr bis ansEnde der "#hre gelangen.

0r diese erechnungen haben )ir die ethe5loch50ormel fr niedrige Energien be5nutzt. -iese 7ereinfachte 0orm liefert uns den Energie7erlust − ) &ro Teilchen undAegl=nge / durch die 4uft.

(1) −d)

d/ =

(πne 0 2

!e (2 ⋅( e

2

(πϵ0)⋅[ ln(2me(

2

1 )] '

-abei bedeutet ne die Elektronenanzahl &ro m in dem Medium< 0 ist die Kernla5dungszahl der Teilchen in der 4uft< )elche ann=herungs)eise zu +Q (tickstoff undzu 2+Q (auerstoff sind. Mit ( ist die Cesch)indigkeit der Elektronen gemeint unde ist die Elementarladung. -ie %ariable 1 beschreibt mit

(2) 1 = 0 0,⋅16e2

das mittlere ,nregungs&otential des Materials< )omit in diesem 0all )ieder unserMedium< die estandteile der 4uft gemeint sind. -urch die Hand5%akuum&um&e diemir am :E"B zur %erfgung stand konnte ich einen Fnterdruck 7on '++ mbar erzeu5gen. -as ist et)a die H=lfte des normalen ,tmos&h=rendrucks. 0olglich betr=gt die-ichte der 4uft in der "#hre nur noch 0,6kg /!3 < )enn bei normalem ,tmos&h=rend5ruck die 4uftdichte ca. 1,2kg /!3 betr=gt/. Fm die ,nzahl der Elektronen heraus5zufinden )urden folgende berlegungen angestelltN

-ie atomare Masse 7on (tickstoff< dem Hau&tbestandteil der 4uft liegt bei!( )=1( u *

)obei u < das heiGt Units, &er -efinition

1 g ≈6,023⋅1023u

betr=gt. -amit enthalten 1$ g (tickstoff 6,023⋅1023 (tickstoff ,tome.

' Vgl. http://de.wikipedi.org/wiki/ethe*ormel , 21.12.12

6 Vgl. http://www.gokiting.de/kiteglo!!r/wikiwind/wikilu+tdichte/inde.php , 6.1.2013

) Vgl. 4rn!t Klett Verlg: 4lemente 5hemie 2, &. ('0

Vgl. 4end, &. 789

http://de.wikipedia.org/wiki/Bethe-Formel

http://www.gokiting.de/kiteglossar/wikiwind/wikiluftdichte/index.php

http://de.wikipedia.org/wiki/Bethe-Formel




-a die -ichte der 4uft 0,6kg /!3 ist< ents&rechen 600 g ( 3 )≙ 2,'⋅102' ,tome &ro m.

,us der Tabelle der Elemente ist die Kernladungszahl< oder auch ?rdnungszahl ge5nannt< abzulesen 0 ( 3 )=) . -ements&rechend eRistiert im %akuum des eschleuni5gers eine Elektronendichte ne 7on

)⋅2,'⋅102'=1,1⋅10261/!3

-ie Cesch)indigkeit der Elektronen l=sst sich )ie folgt berechnenN

(3) ) kin=0,'⋅!⋅(2

(() ) el =e⋅,

-ie Cleichungen (3) und (() )erden gleichgesetzt. Bach mehreren Fmformungs5schritten ergibt sichN

(=

√e⋅,

0,'⋅!e

-ie eschleunigungss&annung betr=gt 3+++ %< also ist (=√e⋅3000 2

0,'⋅!e

≈3,2'⋅10)! / s <

ungef=hr 1+Q der 4ichtgesch)indigkeit.

(etzt man diese Aerte in (1) ein< bekommt man das Ergebnis

−d)

d/ ≈3,'⋅10

−11 /! oder 2,2()⋅10

e2 /!

fr den Energie7erlust eines Elektrons im eschleuniger. ,uf einer (trecke 7on 2'cm< die hier als 4< die 4=nge der "#hre< bezeichnet )ird )=ren das dann ungef=hr

2,2'⋅10e2 /! : (=0,'6⋅10

e2 / #

die das Elektron einbGen )rde. -amit k#nnte man am Ende der "#hre< bei einereschleunigungss&annung 7on bs&). 3+++ %< keinen (trom nach)eisen. ,lso stelltsich die 0rage< )elcher Fnterdruck ben#tigt )ird< um mit einem ,m&eremeter Teil5chen nachzu)eisen. ei normalem ,tmos&h=rendruck 7erliert ein Elektron0,'6⋅10

e2 / #⋅2=1,12e2 / # < &ro !bar 7erliert es

1,12⋅10⋅

e2

#

1013 !bar =1,1⋅10' e2

#⋅!bar

Ein )nschens)erter Energie7erlust )=re 103e2 < )omit den Elektronen noch 2+++

e% bleibt. -er -ruck der dies ge)=hrleisten )rde ist

−d)

d/

p =1,1⋅10

' e2

#⋅!bar



10

⇒ (') p=

−d)

d/

1,1⋅10' e2

#⋅!bar

-en ge)nschten Energie7erlust in (') einsetzenN

103e2

1,1⋅10' e2

#⋅!bar

≈10−2

!bar

-er ben#tigte Fnterdruck betr=gt ca. 10−2

!bar . -ieser kann z.. 7on einer kom&ak5ten Klein&um&e< )ie es an meiner (chule gibt< erzeugt )erden. -iese "echnungensind nicht eRakt. Dum eis&iel )urde 7ernachl=ssigt< dass die Elektronen am ,nfangder "#hre noch keine Energie 7on 3+++ e% besitzen. Es )ar bloG eine ungef=hre ,n5

gabe ber den Energie7erlust und die 6ualit=t des %akuums n#tig< um zu )issen< obeine 8nbetriebnahme des eschleunigers mit der Hand5%akuum&um&e m#glich ist.-emnach konnte der eschleuniger am :E"B noch nicht getestet )erden. ,ucheine Aasser7akuum&um&e< die ich 7on der (chule mitbekommen hatte< oder einenormale 4uft&um&e mit z)ei Aegen konnten nicht helfen.

Trotz dessen habe ich nach einer 4euchtschicht gesucht. Mein Plan )ar< dass dieElektronen auf diese (chicht treffen und )ie bei einer raun!schen "#hre ein (&otauf der (chicht zu sehen ist. -amit h=tte ich auGer der (trommessung an der(chraube noch eine andere M#glichkeit die beschleunigten Teilchen nachzu)eisen.Mit (ascha bin ich dann zu Thomas (chneider< der sich mit 4eutschichten ausken5

nen soll< gegangen. -och )eder er< noch andere Mitarbeiter konnten mir )irklich )ei5terhelfen. -as Problem )ar< dass die meisten 4euchtschichten in einem &ermanen5ten %akuum gelagert )erden mssen und bloG ab einer bestimmten Energie der Teil5chen leuchten. -och ich kann )eder sagen )elche Energie die Elektronen am Endeder "#hre haben< noch eRistiert dort ein st=ndiges %akuum. ,uGerdem sind diese4euchtschichten sehr teuer. -amit k#nnte nicht mehr das 94o)5:ost; Prinzi& des e5schleunigers ge)=hrt bleiben. >edoch hat mir mein 4ehrer ein kleines (tckchenfluoreszierende Phos&horschicht mitgegeben< die ich mal bei etrieb aus&robierenm#chte.

,ndere Cer=te< )ie die Hochs&annungsOuelle oder ein ,m&eremeter< gab es im Tea5cher!s 4ab. -och ohne %akuum&um&e half auch das nichts< also mussten die %ersu5che nach den 0erien in meiner (chule durchgefhrt )erden.

$. Versuchsproto#oll

'.1 ,ufbau und -urchfhrung

D)ischen den Herbst5 und Aeihnachtsferien habe ich den Elektronenbeschleunigermit meinem 4ehrer nach dem Fnterricht in etrieb genommen. Aegen der Hoch5s&annung )ar eine geeignete ,ufsichts&erson n#tig< des)egen durfte ich die %ersu5che nicht alleine durchfhren. ,uGerdem muss man )=hrend des %ersuchs 7orsichtig



11

mit dem Hochs&annungsger=t umgehen. Fm genau zu untersuchen< )ie gut der e5schleuniger< der mit einfachen Materialien im Aert 7on bloG z)anzig Euro gebaut)urde< funktioniert< sind mehrere Messungen durchgefhrt )orden. -er Aert der e5

schleunigungss&annung< der Heizs&annung und des -rucks )urde 7er=ndert. -afrist folgenden %ersuchsaufbau 7er)endet )ordenN

Du sehen ist der eschleuniger< an dessen Clhkathode eine Aechsels&annung 7onet)a * % anliegt. ,n der ,node liegt eine eschleunigungss&annung 7on ca. +< k%an. Ein 4adungsmessger=t ist ber einen Mess7erst=rker mit der (chraube am Endeder "#hre 7erbunden. -er eschleuniger ist an der %akuum&um&e angeschlossen.

Bachdem die Cer=te )ie in ,bb. aufgebaut )urden< )ird die %akuum&um&e aufh#chste (tufe angestellt. %on der -ruckanzeige kann abgelesen )erden< dass der-ruck dann um die 1+ mbar betr=gt. -anach )erden der Mess7erst=rker und die(&annungsgeneratoren fr Kathoden5 und eschleunigungss&annung angestellt. -ieKathodens&annung )ird auf et)a /< % geregelt. -er Clhdraht sollte nach ein &aar(ekunden leuchten < denn dann st#Gt er Elektronen aus. >etzt )ird dieeschleunigungss&annung langsam auf ca. ++ % gestellt. -as 4adungsmessger=tmisst die an der (chraube ankommenden Elektronen. A=hrenddessen )ird die Deitgemessen< sodass daraus der (trom errechnen )erden kann. -ie 4adung )urde

Abbildung +: 2ersuchsaufbau

Abbildung &: *chaltkreis



12

immer eine Minute lang gemessen.

'.2 eobachtungen

A=hrend 7erschiedene %ersuche mit dem eschleuniger durchgefhrt )urden< konn5ten teil)eise sehr interessante eobachtungen gemacht )erden. Aird dieeschleunigungss&annung bis auf et)a 1<* k% hochgeregelt< sind 7iolette 4euchter5scheinungen z)ischen der Kathode und der ,node zu beobachten. Mein 4ehrer undich 7ermuten< dass in der "#hre Gasentladungsprozesse stattfinden. 0olgendes Ditatbeschreibt diese Prozesse sehr gutN

„Als Gasentladung werden Vorgänge bezeichnet, bei denen elektrischer Strodurch ein Gas !lie"t# $ieser Stro!luss ist nur nach %ildung eines &lasazustan'des i Gas öglich# (in &lasa entsteht dabei durch Sto"ionisation it )awinen'e!!ekt# Gasentladungen benötigen daher eine bestite elektrische Mindest'*eld'stärke, u zu entstehen oder au!rechterhalten zu werden# +st zur Au!rechterhal'tung der Gasentladung eine ständige u!uhr -on !reien (lektronen nötig, hei"t sieunselbstständige (ntladung#. /

-och da diese Prozesse nicht Thema der ,rbeit sind< sollen sie hier nicht n=her un5tersucht )erden.Bach et)a fnf bis zehn Minuten etrieb ist der (chlauch durch den heiGen Clh5draht sehr )arm ge)orden. -es)egen dellte er mehrere Male )egen des Fnter5drucks ein. A=hrend eines l=ngeren etriebes entstand des)egen ein kleines 4ochim (chlauch. -och das konnte mit ein )enig Kleber )ieder geflickt )erden.

,uGerdem )urde 7ersucht< eine 4euchtschicht< die in den eschleuniger gelegt )ur5de< zum leuchten zu bringen. -ie 4euchtschicht )ar eine fluoreszierende Phos&hors5chicht auf einem kleinem (tckchen 0olie. -och bei dieser Fntersuchung konntekein (&ot auf der (chicht beobachtet )erden. (ie )ar )ohl nicht fr die Energien derElektronen des eschleunigers geeignet.-ie anderen Messungen ents&rachen meinen Er)artungen< 7on daher sind sie gleichunter dem n=chsten Punkt aufgefhrt.

'.3 Ergebnisse

-ie Messungen sind in Tabellen und -iagramme eingetragen )ordenN

%ruc# &in mbar' Heizspannung&in V'

!eschl. (pannung&in V'

(trom & in )'

10 6, 00 1),(⋅10−10

00 1(,2⋅10−10

)00 13,⋅10−10

Quelle: http://de.wikipedi.org/wiki/G!entldung , 26.12.12, 13:30 hr

http://de.wikipedia.org/wiki/Gasentladung





13



(trom & in )'

600 13,3⋅10

−10

'00 12,'⋅10−10

(00 ,2⋅10−10

Tabelle $: *tro! in Abh5ngigkeit (on der Beschleunigungsspannung

A=hrend die eschleunigungss&annung 7erringert )urde< ist auch der (tromflusszurck gegangen. >e niedriger die eschleunigungss&annung ist< umso )enigerEnergie haben die Elektronen und desto leichter )erden sie durch 4uftmolekle ge5bremst. -ie Messungen mit dem selbst gebauten eschleuniger ents&rechen alsoden Er)artungen. >edoch 7er=ndert sich der (tromfluss nicht linear zur eschleuni5gungss&annung< )ie er es eigentlich tun solle. Crnde dafr k#nnten Mess5< oder ,blesefehler im "ahmen 7on et)a ±0,1⋅10−10 ,m&ere sein. ,uGerdem standen die

Messger=te auf dem Tisch unter dem sich die %akuum&um&e befindet. (chon leichteErschtterungen< die die Pum&e bei etrieb ausl#st< k#nnen den Mess7erst=rker be5einflusst haben.

,uGerdem )urde die eschleunigungss&annung kom&lett ausgestellt und auch hier)urde ein< )enn auch kleiner< (trom gemessen. -as heiGt< die Elektronen< die ausdem Clhdraht ausgedam&ft )erden< k#nnen auch ohne eine eschleunigung zur(chraube am Ende der "#hre gelangen. %ermutlich ist das negati7e Potential umden Clhdraht herum groG genug dazu.

Abbildung 6: *tro! in Abh5ngigkeit (on der Beschleunigungsspannung

3++ $++ '++ /++ *++ ++ ++ 1++++

2

$

/

1+

12

1$

1/

1

2+

(&annung in e%

( t r o m i n

1 + S 5 1 + ,



1(



(trom & in )'

10 6, 00 1⋅10

−10

100 16,⋅10−10

200 16,1⋅10−10

300 1',3⋅10−10

Tabelle 3: *tro! in Abh5ngigkeit (o! .ruck

,uch bei der %er=nderung des Fnterdrucks hat die (trommessung meine Er)artun5gen best=tigt. -er normale ,tmos&h=rendruck betr=gt et)a 1+13<2' mbar 1+. 8n $.2.2)urde berechnet< dass eine deutliche (trommessung einen Fnterdruck 7on +<1mbar< bei einer eschleunigungss&annung 7on 3+++ %< ben#tigt. -och auch bei denin Tabelle 3 angegebenen Aerten konnte mithilfe eines Mess7erst=rkers ein (trom5fluss gemessen )erden. >e gr#Ger der -ruck ist< desto mehr 4uftmolekle befindensich in der "#hre des eschleunigers und behindern die Elektronen. -eshalb )irdmit gr#Gerem -ruck )eniger (trom gemessen. ,uch diese Aerte 7erlaufen nicht ge5nau linear. M#gliche Crnde dafr )urden bereits oben genannt.



(trom & in )'

10 6, 00 1),⋅10−10

(, 16,⋅10−10

2, 12,2⋅10−10

Tabelle 4: *tro! in Abh5ngigkeit (on der eispannung

Aird die Heizs&annung 7er=ndert< kann auch eine %er=nderung des (troms festge5stellt )erden. >e gr#Ger die (&annung am Clhdraht ist< desto heiGer )ird er. -urchdie Hitze )erden Elektronen aus dem -raht 9ausgedam&ft;< sodass sich eine Elektro5nen)olke um den -raht bildet. -ements&rechend )erden )eniger Elektronen ausdem -raht gedam&ft< )enn er )eniger stark erhitzt )ird. ,uch diese Aerte habe ichin et)a er)artet.

*. Vergleich mit der !raun+schen ,-hreAie schon in 3.1.1 er)=hnt< ist der Elektronenbeschleuniger< um den es in dieser ,r5beit geht< =hnlich )ie die raun!sche "#hre. Cemeinsam ist den beiden Cer=ten<dass sie Elektronen beschleunigen. -ie Elektronen )erden je)eils durch das Erhit5zen eines Clhdrahtes ausgedam&ft und durch eine ,node beschleunigt. Bur sind inder Kathodenstrahlr#hre hinter der Clhkathode mehrere 0okussierungsger=te ein5gebaut. Dum eis&iel ist der Aehneltzlinder n#tig< damit der Elektronenstrahl ge5bndelt und in seiner 8ntensit=t geregelt )erden kann. -urch z)ei Plattenkondensa5toren k#nnen die Elektronen dazu noch in 7erschiedene "ichtungen gelenkt )erden.

10 Vgl. http://www.gokiting.de/kiteglo!!r/wikiwind/wikilu+tdichte/inde.php , 6.1.2013





1'

-iese Mechanismen sind in meinem Elektronenbeschleuniger nicht eingebaut. Er)=re sonst zu auf)=ndig und kosts&ielig ge)orden. ,llerdings ist es m#glich< denElektronenstrahl durch einen einfachen Magneten< der an die "#hre gehalten )ird<

abzulenken. ,uGerdem ist am Ende der Kathodenstrahlr#hre eine &ermanente Phos&horschichtangebracht< an der die Elektronen 4euchterscheinungen ausl#sen. ei meinem Teil5chenbeschleuniger k#nnen die Elektronen bloG durch eine (chraube< an der maneinen (trom messen kann< nachge)iesen )erden. -as Endstck mit der (chraubeist aber aus)echselbar. (o kann z.. eine 4euchtschicht nachtr=glich in meine "#hregelegt )erden. %ersuche haben aber gezeigt< dass auf der mir zur %erfgung stehen5den 4euchtschicht keine 4euchterscheinungen durch die beschleunigten Elektronenerzeugt )erden k#nnen.

Ein )eiterer Fnterschied ist< dass das %akuum in der raun!schen "#hre un7er=n5

derbar ist< )obei der Fnterdruck in meiner "#hre 7ariabel ist. -as hat den %orteil<dass mit meiner "#hre demonstriert )erden kann< )ie sich der (tromfluss in ,bh=n5gigkeit 7om -ruck 7erh=lt. -as %akuum muss in der raun!schen "#hre st=ndig er5halten bleiben< da sonst die 4euchtschicht zerst#rt )erden )rde. ,uGerdem kannder stabile Claskolben einem besseren %akuum als meine "#hre standhalten< )o5durch die Elektronen &roblemfreier durch die "#hre gelangen. (o sind in der Katho5denstrahlr#hre keine Casentladungs&rozesse bei etrieb mit hoher eschleuni5gungss&annung zu sehen.

Dudem kann der Clhdraht in meiner "#hre ausge)echselt )erden. (o k#nnen 7er5schiedene Fntersuchungen ber den (tromfluss bei je)eiliger eschaffenheit des

-rahtes gemacht )erden.8m groGen und ganzen kann man jedoch sagen< dass das Prinzi& auf denen die bei5den "#hren beruhen gleich ist. -ie Fnterschiede finden sich hau&ts=chlich in der6ualit=t der Materialien und bei den zus=tzlichen Eigenschaften der "#hren. -a eineraun!sche "#hre die ,ufgabe hat< 0arb&iRel anzuregen< muss sie natrlich Elektro5nen in 7erschiedene "ichtungen lenken k#nnen. Mit meiner "#hre sollen in erster 4i5nie &hsikalische Crundlagen anschaulich dargestellt )erden. (o k#nnen (chlerdurch 7erschiedene Messungen lernen< )ie sich Elektronen bei z.. unterschiedli5chem -ruck 7erhalten< )as mit der raun!schen "#hre nicht funktioniert.

. /azit und 0eiterfhrende berlegungenDusammenfassend kann ich sagen< dass meine Messungen erfolgreich )aren. -ereschleuniger 7erh=lt sich< im ,llgemeinen< )ie ich es er)artet habe. Trotz einigerProbleme und (ch)ierigkeiten bin ich mit meiner ,rbeit zufrieden. A=hrenddessenhabe ich 7iel gelernt. Dum eis&iel habe ich 7orher noch nie einen %ersuchsaufbaualleine gestaltet und aufgebaut und ich konnte am :E"B die groGen eschleunigerbesichtigen. Bun kann man den kleinen Teilchenbeschleuniger im Fnterricht einset5zen um (chler in die Teilchen&hsik ein zu fhren. -as %erhalten 7on Elektronen imElektrischen 0eld kann erkl=rt )erden und die (chler sehen< )elche "olle dabei der-ruck in der "#hre s&ielt. -as kann die raun!sche "#hre nicht bieten. Dus=tzlich ist



16

der au dieses eschleunigers recht einfach und fr jeden (chler leichtnach7ollziehbar.

8ch hatte 7or< den ,ufbau des eschleunigers zu 7er=ndern< damit ich z.. deutliche5re Messungen erhalte. -och das lieG die Deit< die ich fr diese ,rbeit hatte< nicht zu.Eine )eitere 8dee )ar< die beiden Cer=te die ich jetzt habe< zu 7erbinden und die(trahlen zu kreuzen. %ielleicht )=re es m#glich< die Elektronenstrahlen aufeinander5treffen zu lassen und dadurch Effekte zu beobachten. ,uGerdem k#nnte ich eine zu5s=tzliche Messung mit 7erschiedenen Clhdr=hten machen. -as Material und dieAindungszahl kann ich einfach 7er=ndern. %ielleicht k#nnen dabei auch unterschied5liche (trom)erte gemessen )erden.

-iese berlegungen kann man in )eiteren Fntersuchungen in ,ngriff nehmen.

. %an#sagung ,m (chluss meiner ,rbeit m#chte ich noch den 4euten danken< ohne die mein Pro5 jekt nicht m#glich ge)esen )=re.

,n erster (telle danke ich meinem 4ehrer 0rank Knefel< der mir geholfen hat< stun5denlang nach dem Fnterricht an dem eschleuniger zu forschen. 8ch muss sagen< er)ar mindestens genauso begeistert 7on der ,rbeit )ie ich.

-anke an Pascal Hermes< meinem etreuer am :E"B< fr so manche kreati7e 8de5en und Fntersttzung beim au des Teilchenbeschleunigers. (ein Professor< >ohan5nes Aessels der Fni Mnster bernahm freundlicher)eise die offizielle etreuungmeiner ,rbeit.

Cenauso )ichtig zu er)=hnen sind mir die Mitarbeiter des Betz)erk Teilchen)elt.esonders (ascha (chmeling und Cerfried Aiener haben sich bemht mir und an5deren >ugendlichen den ,ufenthalt am :E"B zu erm#glichen. ,uch den 7ielen Mitar5beitern 7om :E"B< die sich bemht haben meine 0ragen zu beant)orten< bin ichdankbar.

,uGerdem danke ich der 0irma Kolkhorst und M#ller in "ahden< die mir Teile des e5schleunigers ges&onsert haben.



1)

. 5iteratur6 und 7uellenverzeichnisraun!sche "#hreN

htt&N))).elektroniktutor.detechnocrt.html Crehn< >oachimKrause< >oachimN Metzler Phsik. raunsch)eig< 2++

8nformationen ber den 4arge Hadron :olliderN

))).lhc5facts.ch

8nformationen ber (tickstoff und die ,tommasseneinheit u0

Eisner< A.< u. a.N Elemente :hemie 2< ?rganische :hemie. Ernst Klett %erlagCmbH< (tuttgart 2++1

4uftdichte und ,tmos&h=rendruckN

htt&N))).gokiting.de

Aiki&edia< ethe5loch50ormelN

htt&Nde.)iki&edia.org)ikiethe5loch50ormel

Aiki&edia< CasentladungN

htt&Nde.)iki&edia.org)ikiCasentladung


http://www.lhc-facts.ch/

http://www.gokiting.de/

http://de.wikipedia.org/wiki/Bethe-Bloch-Formel



http://www.lhc-facts.ch/

http://www.gokiting.de/

http://de.wikipedia.org/wiki/Bethe-Bloch-Formel


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Jugend Forscht 2013, Fabiola Buschendorf.pdf