In der vorliegenden Ausarbeitung wird ein neuer Messaufbau zum Nachweis kosmischer Myonen erstellt, getestet und ausgewertet, sodass dieser später im Höhenstrahlungslabor des Instituts für Kernphysik der Universität Köln den Studenten im Rahmen des Praktikums zur Verfügung gestellt wird. Zu Beginn werden die aufgebauten Detektoren auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft, mögliche Fehlerquellen analysiert und der Aufbau entsprechend optimiert. Es wird getestet, ob Ereignisse außerhalb des Rauschens detektiert und so Messungen der Myonenzählrate durchgeführt werden können.
Im zweiten Teil werden die Kamiokanne-Detektoren mit Hilfe einer Koinzidenzmessung zur Bestimmung der Winkelverteilung der detektierten Myonen und des Ost-West-Effekts verwendet, wobei vorher gewährleistet werden muss, dass die Kamiokannen zur Koinzidenzmessung geeignet sind. Dafür werden weitere Elektronikmodule in den Signalweg integriert und der Schwellwert zur Signalerfassung im Constant-Fraction-Discriminator angepasst. Im endgültigen Versuchsaufbau, der von der Feinmechanikwerkstatt des IKP konstruiert wurde, können Messungen in Richtung Osten und Westen simultan aufgenommen werden, sodass mehr Zeit, im Rahmen der Praktikumszeit, für weitere Messreihen zur Verfügung steht.
Tagtäglich durchdringen unseren Körper physikalische Teilchen, ohne dass unser Körper dies bemerkt. Letztendlich ist unsere Erde einem wahren Bombardement ausgesetzt. Eine Teilchenart, die in unserem Alttagswissen wenig verankert ist, uns jedoch Sekunde für Sekunde durchdringt, ist das Myon, das wir im Folgenden analysieren wollen.
Dennoch bleibt erst einmal die Frage, was hat eine Kaffeekanne mit Physik zu tun. Obwohl unser Körper kein Sinnesorgan für Myonen besitzt und die Detektion physikalischer Teilchen oft sehr aufwendig ist, soll in dieser experimentellen Ausarbeitung aufgezeigt werden, dass mit einer vergleichsweise einfachen Detektoranordnung aus Kaffekannen der Nachweis von Myonen aus der Höhenstrahlung möglich ist.
Wassergefüllte Cerenkov-Detektoren sind in der Forschung zur Teilchenphysik allgegenwärtiges Forschungsinstrument. Im Folgenden wird eine kleinere Ausführung erstellt, die prinzipiell jedoch den großen Vorbildern ähnelt.
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Einführung, Standardmodell und Wechselwirkungen
2.1.1 Zusammengesetzte Teilchen
2.2 Das Myon
2.3 Kosmische Strahlung
2.3.1 Einführung
2.3.2 Kosmische Strahlung – Primärstrahlung
2.3.3 Kosmische Strahlung – Sekundärstrahlung
2.3.4 Allgemeine Abhängigkeit des Intensitätsverlaufs der geladenen Komponente von Energie und Zenitwinkel
2.3.5 Inklinationseffekte
2.3.6 Energieverlust der durchdringenden Komponente
2.4 Cerenkov-Effekt
3 Versuchsaufbau
3.1 Dewargefäß
3.1.1 Reflexivität Silber
3.2 Lichtwellenleiter
3.3 Photomultiplier
3.3.1 Photoelektrischer Effekt
3.3.2 Sekundärelektronenvervielfacher
3.4 Elektronik
3.4.1 Signalauswertung mit Oszilloskop
3.4.2 HV
3.4.3 Timing Filter Amplifier
3.4.4 MCA
3.4.5 Constant Fraction Discriminator
3.4.6 Coincidence Unit
3.4.7 Counter
3.4.8 Signalweg
4 Auswertung der Messwerte
4.1 Erste Messungen: Impulshöhenspektren mit dem MCA
4.1.1 Dichtigkeitsprüfung
4.1.2 Berücksichtigung des Untergrunds
4.1.3 Vergleichsmessungen der verschiedenen Thermoskannen und PMTs
4.2 Messung der Zählrate mit NIM-Elektronik
4.2.1 Messung zur Ermittlung der Hochspannung
4.2.2 Anpassung des Thresholds des CFD
4.2.3 Koinzidenzmessung zur Winkelabhängigkeit und Inklinationseffekte
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Erprobung und Auswertung eines neuen Messaufbaus zum Nachweis kosmischer Myonen unter Verwendung modifizierter Kaffeekannen als Cerenkov-Detektoren. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, inwiefern eine kostengünstige Detektoranordnung geeignet ist, um myonische Komponenten der kosmischen Strahlung im Höhenstrahlungslabor des Instituts für Kernphysik der Universität Köln für studentische Praktika nachzuweisen und physikalische Effekte, wie den Ost-West-Effekt, zu untersuchen.
- Entwicklung von wassergefüllten Cerenkov-Detektoren aus Kaffeekannen.
- Optimierung der Elektronik für die Signalerfassung und Koinzidenzmessung.
- Analyse des Einflusses der geomagnetischen Ablenkung (Ost-West-Effekt) auf den Myonenfluss.
- Etablierung eines Versuchsaufbaus für studentische Praktikumslabore.
Auszug aus dem Buch
3.1 Dewargefäß
Der Cerenkov-Effekt von geladen Teilchen gilt unter der Bedingung, dass die Geschwindigkeit des Teilchens im dielektrischen Medium größer ist, als die Lichtgeschwindigkeit im Medium. In unserem Fall befindet sich hochreines, bidestilliertes Wasser in einer handelsüblichen Thermoskanne. Die Thermoskanne hat eine Höhe von 263 mm und einen Durchmesser von 156 mm. Die Kamiokanne weist eine dreifache Schichtung auf (siehe Abbildung 13). Das eigentliche innere Glasgefäß besteht aus zwei Schichten.
Die Glassschicht ist dabei die innerste Schicht. Auf der Glasschicht befindet sich eine Verspiegelung, die primär zur besseren Isolierung der Kanne dient, in unserem Fall aber die durch Cerenkov-Strahlung entstehenden Photonen zur Kanneninnenseite reflektiert. Die Verspiegelung ist eine aufgedampfte Silberschicht und die äußerste Schicht der Thermoskanne besteht aus dem Kunststoff Polypropylen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Motivation: Einführung in die Relevanz der Teilchenphysik und die didaktische Absicht, mit einem kostengünstigen Versuchsaufbau den Nachweis von Myonen zu ermöglichen.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Basis, insbesondere zum Standardmodell, den Eigenschaften des Myons, der Entstehung kosmischer Strahlung und dem Cerenkov-Effekt.
3 Versuchsaufbau: Detaillierte Beschreibung der Hardware-Komponenten wie Detektionsvolumen, Photomultiplier und der NIM-basierten Elektronik zur Signalverarbeitung.
4 Auswertung der Messwerte: Darstellung und Analyse der experimentellen Daten bezüglich Dichtigkeit, Untergrundkorrektur, Optimierung der Hochspannung und Koinzidenzmessungen zur Winkelverteilung.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee über den Projekterfolg und mögliche Erweiterungen für zukünftige Versuchsreihen im Praktikum.
Schlüsselwörter
Myonen, Kosmische Strahlung, Cerenkov-Effekt, Teilchenphysik, Kamiokanne, Photomultiplier, NIM-Elektronik, Koinzidenzmessung, Ost-West-Effekt, Standardmodell, Impulshöhenspektren, Teilchendetektion, Höhenstrahlung, Teilchenschauer, Detektoroptimierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die experimentelle Entwicklung und Untersuchung eines Teilchendetektors auf Basis handelsüblicher Thermoskannen zum Nachweis von Myonen aus der kosmischen Strahlung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Schwerpunkte liegen in der Teilchenphysik, der Detektortechnologie, der Signalverarbeitung mittels NIM-Elektronik und der statistischen Auswertung von Myonenereignissen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Schaffung eines funktionsfähigen, flexiblen Messaufbaus, der speziell für den Einsatz im physikalischen Praktikum der Universität Köln optimiert wurde.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird der Cerenkov-Effekt in einem wässrigen Medium ausgenutzt, um Teilchen nachzuweisen, wobei die Signale mittels Photomultipliern detektiert und durch verschiedene Elektronikmodule digital ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden der detaillierte Versuchsaufbau, die Reflexionseigenschaften von Silber, die Funktionsweise der Elektronik sowie die verschiedenen Messreihen zur Validierung und Optimierung des Systems beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Myonen, Cerenkov-Effekt, Kosmische Strahlung, Koinzidenzmessung, Ost-West-Effekt, Kamiokanne.
Warum wurden gerade Kaffeekannen als Detektoren gewählt?
Die Kaffeekannen dienen als preisgünstige und flexible Alternative zu kommerziellen Systemen, um Studierenden einen praktischen Zugang zur experimentellen Teilchenphysik zu ermöglichen.
Wie wurde der Ost-West-Effekt nachgewiesen?
Durch die Messung der Koinzidenzraten in verschiedene Raumrichtungen konnte eine Asymmetrie im Myonenfluss festgestellt werden, die trotz der geografischen Lage von Köln nachweisbar war.
- Arbeit zitieren
- Tobias Kutsch (Autor:in), 2015, Messung der Kosmischen Höhenstrahlung mit Kamiokanne-Detektoren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/369969
