Detektionstechnik

Szintillatoren Szintillatoren sind kristalline Halbleitermaterialien bzw. Geräte daraus, die bei Kontakt mit ionisierender Strahlung (wie der kosmischen) Licht emittieren. Man unterscheidet dabei je nach Material Anorganische und Organische Szintillatoren. Trifft ein nun z.B. ein hochenergetisches (stets einfach negativ geladenes) Elektron oder Myon auf ein Teilchen eines anorganischen (stets festen) Szintillators, so werden freie Elektronen oder Defektelektronen (-paare als sog. "Exzitonen") erzeugt. Diese wandern solange, bis sie auf eines der in das Material dotierten Aktivatorzentren stoßen. Dieses wird nun energetisch angeregt und emmitiert je nach dem, wie stark die Ursprüngliche Ionisationswirkung des Strahlungsteilchens war, verschieden viel Licht während es wieder in seinen Grundzustand übergeht. Bei organischen (d.h. auch polymeren, oder sogar flüssigen) Szintillatoren wird ebenfalls dieses prinzip der Anregung genutzt, nur direkt in einem primären Fluoreszenzstoff. Dieser ist meist von einem weiteren Fluoreszenten umgeben, der die emittierte UV-Strahlung in langwelligeres Licht größerer Reichweite umwandelt. Bei den mir zur Verfügung gestellten Gerätschaften waren immer die großflächigen viereckigen Formen eingehüllte Szintillatorplatten.

Eine Szintillatorplatte mit 2PMTs

PMTs
Photomultiplier-tubes (Aufbau siehe Skizze) sind Geräte die zur Messung selbst schwächster optischer Impulse, bis hin zu einzelnen Photonen, dienen. Trifft auch nur ein Photon auf ein Atom des photoelektrisch aktiven Halbleitermaterials darin, so werden, wie bei einem Lichtsensor, freie Elektronen erzeugt. Diese werden durch das darum befindliche starke elektrische Feld aus dem Material gelöst und auf die erste (positiv geladene) Dynode hin beschleunigt.

Dort schlagen sie wiederum mit steigenden Anzahlen neue Elektronen heraus, da sie durch die Beschleunigung eine höhere Energie erhalten haben . So kann sich die Zahl der Elektronen bis zu verfünffachen. Die nächste Dynode, in deren elektrischen Feld sich diese Elektronen nun befinden ist noch stärker positiv als das der ersten, also wiederholt sich der Vorgeng erneut, nur mit steigender Energie. Auf diese Art und weise sind auf relativ kurzer Distanz meist 10 Dynoden (meist mit einer sog. "Spannungsteilerschaltung") hintereinandergesetzt, sodass sich die Elektronenzahl bis zu ver5^10-facht.

Die Anzahl hängt also von der Beschleunigung, diese wiederum von der Stärke der Elektrischen Felder und diese wiederum von der insgesamt angelegten Beschleunigungsspannung ab. Diese Spannung bezeichnet man hier im folgenden als "Hochspannung", die folglich die allgemeine Empfindlichkeit des PMTs festlegt.

Alle  Elektronen der letzten Dynode gelangen nun auf eine Anode, an der eine andere normalerweise konstante Spannung anliegt. Hier verursachen diese Elektronen nun einen einige Nanosekunden dauernden, messbaren Spannungsabfall von meist einigen Millivolt. Die eingestellte Schwellenspannung(=eine Spannungsdifferenz zum Normalwert) legt fest, wie groß dieser sein muss, damit ein Zähler im angeschlossenen DAQ-Board (Data Aquiration -Board) um 1 erhöht wird. Je höher sie ist, desto größer müssen die Abfälle sein. Neben der Zählung misst dieses Board die Zeit im Nanosekundenbereich, die verstreicht und kann bis zu 4 PMTs und 1 GPS-Gerät mit dem Computer verbinden, über den man auch die Schwellenspannungen festlegen kann.

Die Röhren an den Messgeräten, die ich benutzte sind solche PMTs, die mit der jew. Szintillatorplatte verbunden sind. So werden die Anzahlen der Kosmischen Partikel, die im Szintillator Lichtimpulse verursachen schließlich als Spannungsabfälle (="Signale") am PMT gezählt durch das DAQ-Board. Alles klar?



Voraussetzung ist natürlich, dass die PMTs richtig geeicht sind, d.h. Hoch- und Schwellenspannung richtig justiert sind. Ist die Hochspannung zu hoch oder die Schwellenspannung zu klein sind die gemessenen Raten (Signale je Szintillatorplatte je Sekunde) der PMTs zu hoch, da zu viel "Rauschen" aufgefangen wird. "Rauschen" entsteht dadurch, dass bereits durch die Umgebungstemperatur immer einige freie Elektronen im photoelektrisch aktiven Material des PMTs vorhanden sind und gemessen werden. Wählt man die Hochspannung zu klei und die Schwellenspannung zu hoch werden die Raten zu klein oder sogar 0, da durch die niedrige Beschleunigung nur wenige Elektronen einen Spannungsabfall verursachen und dieser höchstwahrscheinlich nicht groß genug ist, um die Schwellenspannung zu durchbrechen.

Um zu eichen hält man einen Spannungswert stets konstant und variiert den anderen. Die erzeugten Diagramme (Raten über der jew. Hoch- oder Schwellenspannung) werden umso aussagekräftiger, je länger man misst und je besser die jew. andere Spannung bereits eingestellt ist (Ja, das ist teilweise ein kleines Dilemma.). Der ideale Wert der Schwellenspannung ist z.B. der, ab dem der Graph nicht mehr exponentiell, sondern nur noch leicht linear abfällt. Die Hochspannung ist ideal in einem Bereich in dem ihr Graph, statt exponentiell zu steigen, nur leicht linear ansteigt.
Zudem gibt es bei der kosmischen Strahlung in unseren Breiten die Faustregel, dass ungefähr ein Teilchen je cm² und Minute messbar ist, d.h. die anzupeilenden Raten in Hz (1/s) ergeben sich aus der Fläche der Szintillatorplatte in cm² multipliziert mit 1/60. Schwankungen von immer noch bis zu 20% werden u.a. verursacht durch besonders starke Sonnenaktivitätund oder schwankenden Luftdruck. Ob man die Versuche im Freien oder drinnen macht ist relativ egal, solange man nicht in einer Bleikammer, einem Luftschutzbunker, einem Wolkenkratzer oder in der nähe von zu stark strahlendem Mauerwerk oder radioaktivem Material ist. ;-)

Im Aufstellen solcher Diagramme bestand eine Hauptaufgabe in meinem Praktikum. Alles weitere ist im Abschnitt "Teilchendetektion" zu finden.