Aufbau und Inbetriebnahme einer Funkenkammer Sarah Amely Tampe

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1 Aufbau und Inbetriebnahme einer Funkenkammer Sarah Amely Tampe Bachelorarbeit am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt am Main 26. September 2008

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5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Geschichtliche Entwicklung 3 3 Physikalische Grundlagen Kosmische Strahlung Das Standardmodell Das Myon Plasmaphysik Gasentladung und Funkenbildung Detektorphysik Experimenteller Aufbau Aufbau der Funkenkammer Grundprinzip Kammer Leckrate Detektor Szintillator Photomultiplier Kosmisches Spektrum Elektronik Zündsystem Zusammenfassung und Ausblick 37 Literatur 41

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7 1. Einleitung In Wirklichkeit gibt es nur die Atome und das Leere. [1] Schon seit Jahrtausenden bewegt die Menschheit die Frage, was die Materie im Innersten zusammenhält. Der griechische Naturphilosoph Demokrit, der ca. 400 Jahre v. Chr. lebte, postulierte, dass die gesamte Natur aus sehr kleinen, unteilbaren Elementen zusammengesetzt sei. Diese Elemente seien fest, massiv, aber nicht gleich in ihrer Art. Er bezeichnete diese Elemente als Atome, nach dem griechischen Wort átomos für Das Unteilbare. Nach den Erkenntnissen der modernen Physik trifft diese Eigenschaft des unteilbaren Seins auf die Atome selbst nicht mehr zu. Im so genannten Standardmodell der Physik ist das Atom selbst ein Verbund aus Protonen, Neutronen und Elektronen, also weiteren kleineren Bausteinen, die ihrerseits wiederum aus kleinsten Elementen, den Quarks und Gluonen, zusammengesetzt sind. Der wissenschaftliche Fortschritt von der demokritschen Idee des Atoms hin zu den experimentellen Nachweis von Quarks und Gluonen mit modernsten Messsystemen basiert auf einer stattlichen Anzahl von Experimenten. Die Werkzeuge, mit denen Experimentalphysiker diese Erkenntnisse gewinnen und beweisen, sind Teilchendetektoren, also Nachweisgeräte, die (kern-)physikalische Sachverhalte in wahrnehmbare oder messbare Signale umwandeln. Einer der Teilchendetektoren ist die Funkenkammer. Dieser Detektor erlangte vor allem durch die Visualisierung von Teilchen durch Funkenentladungen Aufmerksamkeit. Dabei stellen die durch die Teilchen erzeugten Funkenüberschläge deren Flugbahn durch den Detektor dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine solche Funkenkammer gebaut und in Betrieb genommen. Es werden die physikalischen Grundlagen beschrieben

8 2 1. Einleitung (Kapitel 3), die notwendig sind, um einen Teilchendetektor des Typs Funkenkammer zu verstehen und seine Messungen interpretieren zu können. Der Aufbau und die Funktionsweise des Experiments wird in Kapitel 4 beschrieben. Es wird zunächst auf den historischen Zusammenhang eingegangen. Dadurch können die Experimente mit der Funkenkammer und die damit verbundenen Erkenntnisse besser verstanden werden und deren Beitrag für die moderne Physik beleuchtet werden.

9 2. Geschichtliche Entwicklung Da bereits über 50Jahre Vom Bau der ersten Funkenkammer bis heute sind über 50Jahre vergangen. Im folgenden Kapitel wird die geschichtliche Entwicklung bis zur Fertigstellung der ersten Funkenkammer beschrieben werden. Des Weiteren soll das physikalische Grundprinzip kurz erläutert werden. Der Grundgedanke hinter der Funkenkammer ist, dass geladene Teilchen durch eine Ionisationsspur detektiert werden, also Teilchen in ihrer Flugbahn, Atome in Ionen und Elektronen spalten. An dieser hinterlassenen Spur soll ein Funke zur besseren Sichtbarmachung (Visualisierung) entstehen. In der Funkenkammer wird heute vor allem kosmische Höhenstrahlung detektiert. Die Grundlagen zur Funkenkammer wurden bereits Mitte des 19.Jahrhunderts gelegt. Wenn man bedenkt, dass zu dieser Zeit die Funken nur als natürliche Vorkommnisse bekannt waren und der Prozess einer Entladung im Gas nur als Blitz bei einem Gewitter bekannt war, lag ein langer Weg vor der Wissenschaft gelang es Wissenschaftlern einen Funkenindikator, der vergleichbar mit der heutigen Zündkerze ist, zu entwickeln. Somit konnte das Wissen zur Untersuchung eines Funkens vorangetrieben werden. Zudem beeinflusste eine weitere Entdeckung die Geschichte der Funkenkammer begann Hess seine Ballonflugexperimente, da er den Strahlungsursprung in der Erdatmosphäre vermutete. Dabei entdeckte er 1912 bei seinem siebten Ballonflug in einer Höhe von 5350 Metern eine überdurchschnittlich hohe Strahlung. Aus Hess Aufzeichnungen entnimmt man einen Energie der Strahlung von ca. 40 Joule, zum Vergleich, auf der Erdoberfläche beträgt sie ca. 17 Joule und er postulierte somit die kosmische Höhenstrahlung [3].

10 4 2. Geschichtliche Entwicklung Einer der bekanntesten Vorreiter der Funkenkammer ist die Nebelkammer. Sie läutete eine neue Ära in der Physik ein, da sie als erster Detektor eine Visualisierung eines an sich unsichtbaren Vorgangs beinhaltete erfand C.T.R. Wilson die Nebelkammer. Die Nebelkammer besteht meist aus einem zylindrischen Gefäß, das mit einer Mischung aus Gas und Wasserdampf gefüllt ist. Hierbei ist zu beachten, dass sich der Dampf noch im Gleichgewicht mit der Flüssigkeitsphase befinden muss. Die Kammer ist mit einem Kolben versehen, der eine Volumenvergrößerung ermöglicht wird, die die Temperatur senkt. Durch den plötzlichen Temperaturabfall ist der Wasserdampf übersättigt. Die geladenen Teilchen, die diese Kammer durchqueren, ionisieren Atome des Gases und die Spur des Teilchens wird als Kondensationsstreifen sichtbar. Ihr Nachfolger war die 1952 entwickelte Blasenkammer. Sie ist als eine modifizierte Nebelkammer zu verstehen. Die Blasenkammer versucht wie ihr Vorgänger, Spuren geladener Teilchen sichtbar zu machen. Die Kammer ist meist mit Wasserstoff gefüllt, welches auch als Wechselwirkungsmaterial dient. An der Kammer liegt ein Magnetfeld an, wodurch die geladenen Teilchen eine Ablenkung erfahren, die sogenannte Lorentzkraft. Durch diese wirkende Kraft lassen sich Rückschlüsse auf die Ladung und den Impuls der Teilchen ziehen. Der Name Blasenkammer stammt von den Blasen, die bei Stößen zwischen geladener Teilchen mit dem Wasserstoffatom entstehen. Die Funkenkammer leitet sich aus dem Geiger-Müller-Zählrohr ab. Dieses wurde 1928 von den deutschen Physikern Hans Geiger und Walther Müller entwickelt. Der Zähler signalisiert ionisierende Strahlung. Er besteht im Wesentlichen aus einem gasgefüllten Metallrohr, das als Kathode dient, und einem Anodedraht in der Mitte des Rohrs. Die Kathode ist eine Elektrode die positiv geladen ist, daher zieht sie Elektonen an. Das Gegenstück ist die Anode, die eine negative Elektrode ist und daher Ionen anzieht. Dringt ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel positive radioaktive Strahlung, in das Metallrohr durch ein durchlässiges Fenster ein, ionisiert es das Edelgas (z.b. Neon, Argon). Die Anzahl der erzeugten Elektronen ist proportional zur Intensität der eindringenden Teilchen. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Spannung an die eine Teilchentrennung bewirkt. Der Einsatzbereich des Geiger-Müller-Zählers war und ist das Registrieren radioaktiver Strahlung. Die Herstellung eines Zählrohrs war zur damaligen Zeit außergewöhnlich, da es ein sehr aufwändiger Prozess war, bei dem die einzelnen Herstellungsschritte sogar von Wissenschaftlern nicht vollstängig verstanden wurden. If it works even when you don t know why. [2]

11 5 Um nun die Geschichte der Funkenkammer im Einzelnen zu klären, werden die verschiedenen Entwicklungen in USA, England, Deutschland, Japan und der Sowjetunion betrachtet. USA: Durch ein Projekt, welches zur Entwicklung der Atombombe ins Leben gerufen wurde, musste ein neues Zeitmesssystem entwickelt werden. Da das bestehende, der Geiger-Müller Zähler, eine zu große Totzeit besaß, schlichen sich Ungenauigkeiten ein. Die Totzeit beschreibt die Zeit, bis das Zählrohr wieder einsatzbereit ist, um neue Ereignisse zu registrieren. Das neue Gerät wurde durch den Funkenzähler erweitert und ermöglichte ein Eindringen der geladenen Teilchen aus allen Richtungen. Durch parallel angeordnete Platten wurde ein Funkenschlag erzeugt. Deutschland: 1948 wurde festgestellt, dass durch den Funken-Zähler die Möglichkeit der Spurverfolgung geladener Teilchen gegeben war. Der deutsche Physiker Bagge untersuchte den radioaktiven Zerfall in der unteren Atmosphärenschicht und die kosmischen Strahlen. Bagge stellte fest, dass er für seine Untersuchung genauere Messinstrumente brauchte und ließ den Funkenzähler nachbauen und verbessern. Bagges Interesse war, den Funkenzähler in ein spurverfolgendes Gerät umzuwandeln. Dadurch würde man statt Ereignisse zu zählen auch dessen Spuren sehen und verfolgen können. Sein Anliegen war, dass das Gerät Bilder der Teilchenspuren liefern konnte. Es gab zwei verscheidene Ansichtsweisen. Die eine bestand darin Experimente so zu gestalten, dass sie besonderst anschaulich aufgebaut waren. Dem gegenüber stand die Meinung, dass nur die logische Tradition zählte, die ihren Fokus auf den reinen Zählprozess legte, wie zum Beispiel beim Geiger-Müller Zähler. Bagge jedoch verfolgte seine Versionen der Visualisierung und entwickelte den Funkenzähler weiter. Er installierte einen Kondensator, der beim Entladen dem Funkenzähler zusätzliche Spannung lieferte und somit das Funkensignal aufhellte. Zudem gelang es ihm erstmals Bilder davon zu machen. Bagge sah Koinzidenzen für durchfliegend Teilchen im Funkenzählers konnte man zum ersten Mal die Teilchenspur anhand eines Funkens verfolgen. Frankreich:

12 6 2. Geschichtliche Entwicklung 1954 benutzte Charpak, der mit Frederic Joliot-Curie arbeitete, den Geiger- Müller-Zähler. Im Juli 1957 richtete er sein Auge auf den Funkenprozess, da er ein Experiment konstruieren wollte, mit dem man die Spur geladener Teilchen verfolgen konnte. Die Idee war, mit Hochspannung eine lawinenartige Vermehrung der Ladungen und somit einen Funkenüberschlag zu erzielen. Als Gas benutzte er eine Mischung aus Alkohol und Argon im Verhältniss 1:9. Italien: Durch ein Experiment entdeckten 1954 Gozzini und Conversi die Gasentladung in Neongas. Sie schlussfolgerten daraus, dass sie einen Detektor bauen könnten, der mit Eigenschaften eines Plasmasgases einen Blitz erzeugt. Jedoch konnte keine Theorie dies beschreiben und auch experimentell konnten sie es nicht beweisen. Ihre Vermutung bestand darin, dass 10 5 Sekunden nach dem durchfliegenden Teilchen eine Gasentladung entstehen musste packten sie eine Sodaglasröhre, gefüllt mit reinem Argongas, in Schwarzpapier ein und erzeugten mit Hilfe eines elektrischen Feldes einen durchgehenden Blitz. Jedoch sahen sie es nicht und vermuteten es nur, da das Schwarzpapier ihnen die Sicht verdeckte. Japan: Durch den Krieg war Japan relativ abgeschnitten von der Außenwelt. Die Wissenschaft beschränkte sich auf die kosmische Strahlenforschung. Die Japaner nutzten das Wissen der Italiener und untersuchten die Teilchenverteilung in kosmischer Strahlung. Die Japaner Fukui und Miyamoto wollten mit Hilfe mit Neongas gefüllten Glasballons die Gasentladung untersuchen. Sie waren der Meinung, dass sie nur mit einer großen Anzahl, in ihrem Fall 5000 Stück, ein Ergebniss bringen könnten. Jedoch war die Arbeit für zwei Personen zuviel und dadurch ließen sie einige Glasballons und auch solche mit unterschiedlichen Druckverhältnissen unverpackt liegen. Sie schalteten das Licht aus, pulsten und sahen Spuren in den offen liegenden Ballons. Besonders die Ballons mit hohem Druck lieferten ein gutes Bild. Dadurch kam ihnen die Idee, eine Kammer zu bauen mit einer viel besseren Auflösung als die Funkenzähler bisher. Hierbei war das Glück auf ihrer Seite, denn hätten sie genug Leute zum Einpacken gehabt und auch einen gleichmäßigen Druck in den Ballons, wäre es nicht zu der Entdeckung gekommen. Durch diesen Zufall stellten sie fest, dass selbst eine geringe Anzahl und nicht wie von ihnen vorgesehen 5000 Glaskugeln mit elektrisch leitender Oberfläche schon den gewünschten Effekt erzielte. Sie nannten ihre Kammer Entladungskammer. [4]

13 7 Mittlerweile wurde die Funkenkammer durch die Elektronik und Zündansteuerung erweitert, so dass die Gasentladung nur bei gewünschten Events geschieht und nicht wie bei Fukui und Miyamoto bei jedem geladenen Teilchen ausgelöst wird. Zudem wurde die Idee von Bagge aufgegriffen und ein Teil der Elektroden mit Kondensatoren versehen um diese mit zusätzlicher Spannung zu versorgen. Basierend auf dem heutigen Wissenstand ist eine Verwendung der Funkenkammer zu Forschungszwecken nicht mehr erforderlich sondern ausschließlich zur Demonstration.

14 8 2. Geschichtliche Entwicklung

15 3. Physikalische Grundlagen Da die Funkenkammer als ein Detektor (Kapitel 3.5) für kosmischen Höhenstrahlung (Kapitel 3.1) benutzt werden soll, werden im kommenden Kapitel die physikalischen Grundlagen hierzu beschrieben. Zunächst handelt es sich bei den zu detektierenden Teilchen um Myonen (Kapitel 3.2.1), die Teilchen des Standardmodells (Kapitel 3.2) sind. Die Visualisierung der Teilchen erfolgt durch eine Gasentladung (Kapitel 3.4), die in Form eines Funkenüberschlags erfolgt. Da eine Gasentladung ein Plasma ist, sollen auch kurz die Grundlagen der Plasmaphysik geklärt werden (Kapitel 3.3). 3.1 Kosmische Strahlung Die kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, deren Ursprung im Weltall zu suchen ist. Sie besteht überwiegend aus Protonen, Elektronen und ionisierten Atomen. Auf die Erdatmosphäre treffen pro Sekunde ca Teilchen pro Quadratmeter. Im Vergleich dazu, betragen die auf die Erdoberfläche auftreffenden Teilchen pro Minute nur noch ca. 10 Teilchen pro Quadratmeter. Die Teilchen, die als kosmische Strahlung auf die obersten Schichten der Erdatmosphäre eintreffen, werden Primärteilchen genannt. Das Energiespektrum der Primärteilchen erreicht bis zu ev, jedoch ist heute nur die Zusammensetzung bis Energien von ev bekannt. Die Primärteilchen sind aus ca.87% Protonen, 12% Alpha-Teilchen und 1% schweren Kerne zusammengesetzt. Diese lassen sich jedoch nur außerhalb oder in der oberen Erdatmosphäre messen.

16 10 3. Physikalische Grundlagen Abbildung 3.1: Entwicklung eines Teilchenschauers durch sogenannte Primärteilchen von der Erdatmosphäre bis zur Erdoberfläche [5] Die kosmische Strahlung, die in die Erdatmosphäre eingetreten ist und sich dort in einen Teilchenschauer aufspaltet, wird in drei Gruppen klassifiziert, die Elektronen-Photonen-Komponente, die Hadronen-Komponente und die Myonen-Komponente. (Abbildung 3.1) Dabei besteht die Elektronen- Photonen Komponente aus neutralen Pionen, die einen elektromagnetischen Schauer erzeugen. Es entstehen Photonen, Elektronen und Positronen. Bei der Hadronen Komponente entstehen hauptsächlich Protonen, Neutronen, Pionen und Kernfragmente, die durch hadronische Wechselwirkung zustande kommen. Die hadronische Wechselwirkung besteht aus einer Wechselwirkung aus Hadronen, also aus Quarks aufgebauten Teilchen. Trifft zum Beispiel ein Proton auf ein Proton findet eine hadronische Wechselwirkung statt. Über die schwache Wechselwirkung entstehen aus den positiv und negativ geladenen Pionen die ebenfalls positiven und negativen Myonen, außerdem noch Elektronen und Neutrinos. Bereits im Jahre 1900 entdeckte Charles T. R. Wilson die kosmische Höhenstrahlung, die er jedoch fälschlicherweise für natürliche Radioaktivität aus dem Boden hielt. Richtig interpretiert wurde sie schließlich 1912 durch Victor Franz Hess, der durch seine Experimente die höhere elektrische Leitfä-

17 3.2. Das Standardmodell 11 higkeit der Erdatmosphäre mit zunehmender Höhe zu erklären versuchte. Durch seine Versuche wurde eine Zunahme der radioaktiven Ereignisse festgestellt, was auf einen kosmischen Ursprung der Strahlung hindeutete. Zunächst nahm Hess an, dass die Sonne der alleinige Verursacher sei, aber nach einer totalen Sonnenfinsternis musste diese Theorie verworfen werden. Bis heute sind die eigentlichen Ursprünge nicht vollständig geklärt, jedoch unterteilt man sie in Solarstrahlung, galaktische und extragalaktische Strahlung. Dazu gehören: Sonnenwinde, die überwiegend aus Photonen und Alphateilchen bestehen (Energie E < ev ) Anormale- und galaktische kosmische Strahlung (Energie E 10 9 ev ) Extragalaktische Strahlung (Energie E ev ) Erst in den letzten Jahren ließen sich die Quellen der anormalen und galaktischen kosmischen Strahlung identifizieren. Als verantwortlich werden Schockfronten von Supernovaexplosionen oder kosmische Jets von schwarzen Löchern angenommen sowie lokale interstellare Materie, die mit Sonnenwinden in Wechselwirkung steht. Ist die Teilchenenergie kleiner als ev nimmt man einen Ursprung innerhalb unseres Sonnensystems an, da unser Zentrum der Galaxie aus einem schwarzen Loch besteht bzw. eine Akkreditionsscheibe ist, in der Kernreaktionen stattfinden und somit Strahlung ausgesendet wird. Nur ein geringer Teil der Sekundärteilchen, also der Teil der kosmischen Strahlung, der mit der Erdatmosphäre wechselwirkt, erreicht die Erdoberfläche. Die kosmische Strahlung kann durch das menschliche Auge nicht wahrgenommen werden, sondern benötigt zur Visualisierung einen Detektor. Die kosmische Strahlung macht einen Teil von 7% der jährlichen Strahlenbelastung eines Menschen von ca. 3 msv aus. 3.2 Das Standardmodell Das Atom sollte der ursprünglichen Annahme nach das kleinste und elementarste Teilchen der Materie darstellen. Spätestens durch die Arbeit von Thomson, Rutherford und Bohr wurden mehrere detailliertere Modelle zur inneren Struktur der Materie entworfen. Das Atom besteht nun aus einem Kern sowie einem oder mehreren Elektronen. Durch weitere kernphysikalische Experimente Anfang der siebziger Jahre konnte eine weitere Stufe von elementaren

18 12 3. Physikalische Grundlagen Teilchen, aus denen die Protonen, Neutronen sowie Elektronen bestehen, entdeckt werden. Deren Struktur sowie die Wechselwirkung untereinander wird durch das Standardmodell beschrieben. Bis zum heutigen Tage beschreibt das Standardmodell diese kleinste bekannteste Struktur der Materie. Die Teilchen des Standardmodells werden in die drei Klassen, Quarks, Leptonen sowie die Bosonen der Wechselwirkung aufgeteilt, gelten als elementar und sind somit ohne eine innere Struktur. Sie werden als einfache, punktförmige Konstituenten (< m) beschrieben. Eine genaue Übersicht ist der Tabelle 3.1 zu entnehmen sowie in Tabelle 3.2 die Wechselwirkungen aufgelistet sind. Generation 1 Generation 2 Generation 3 Leptonen e Elektron µ Myon τ Tau ν e Elektronneutrino ν µ Myonneutrino ν τ Tauneutrino Quarks u up c charm t top u down s strange b bottom Tabelle 3.1: Fermionen im Standardmodells Eine Eigenschaft der Teilchen des Standardmodells ist der Eigendrehimpuls, auch Spin genannt. Der Spin der Quarks und Leptonen beträgt 1 und sie werden Fermionen genannt. Zudem besitzt jedes Teilchen eine elektrische La- 2 dung, die Leptonen tragen die Ladung 1 (e,µ,τ) bzw. 0 (ν e,ν µ,ν τ ), die Quarks tragen die Ladung 2 (u, c, t) bzw. 1 (d, s, b). Zu jedem Quark und Lepton exististiert ein Antiteilchen, das die gleiche Masse und Spin hat und sich genau 3 3 gegensätzlich in elektrischer Ladung, Leptonenzahl, Farbladung und magnetischem Moment verhält. Der Flavor klassifiziert die Quarks, die in verschiedenen Zusammensetzungen die Bausteine für neue Teilchen sind. Die aus Quarks oder Antiquarks aufgebauten Teilchen werden Hadronen genannt. Die Hadronen sind wahlweise aus drei Quarks bzw. Antiquarks aufgebaut, den Baryonen, oder aus einem Quark und einem Antiquark, den Mesonen. Die Baryonen und Mesonen sind Aufgrund ihres Aufbaus Untergruppen der Hadronen.

19 3.2. Das Standardmodell 13 Die elementaren Teilchen des Standardmodells können über den Austausch von verschiedenen Bosonen wechselwirken. Die Bosonen tragen einen ganzzahligen Spin. Da beim wechselwirken die Spinerhaltung nicht verletzt werden darf, müssen die Bosonen einen ganzzahligen Spin tragen. Im Standardmodell werden drei Wechselwirkungen beschrieben: Die starke, die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung. Die Bosonen der starken Wechselwirkung sind acht verschiedene Gluonen, die zwischen den Farbladungen der Quarks wechselwirken. In der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Photon das Austauschteilchen zwischen geladenen Teilchen. Die W +, W, Z 0 Bosonen sind für den Austausch in der schwachen Wechselwirkung verantwortlich. Wechselwirkungen Austauschteilchen Masse [Gev/c 2 ] Reichweite starke Gluonen 0 2, m elektromagnetische Photon 0 schwache W +, W, Z 0 80, 80, m Tabelle 3.2: Übersicht Wechselwirkungsprozesse des Standardmodells Durch die starke Wechselwirkung wird der Zusammenhalt der Quarks innerhalb der Hadronen garantiert. Zudem bewirkt die Restkraft die Bindung der Nukleonen innerhalb eines Kerns. Die starke Wechselwirkung hat die Kraft der gegenseitig elektrischen Abstoßung der Protonen entgegenzuwirken. Alle Baryonen und Mesonen unterliegen der starken Wechselwirkung. Ihre Reichweite von 2, m ist vergleichbar mit dem eines Nukleonenradius. Im Gegensatz zur starken Wechselwirkung ist die Reichweite der schwachen Wechselwirkung um drei Größenordnungen kleiner und beträgt ca m. Die schwache Wechselwirkung ist vor allem für Zerfälle oder Umwandlungen verantwortlich, so ist sie z.b. die maßgebliche Kraft beim Betazerfall radioaktiver Kerne. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist für Bindungszustände innerhalb von Atomen und Molekülen verantwortlich, sie hat eine unendliche Reichweite, die in der Abstandswirkung mit 1/r 2 abfällt.

20 14 3. Physikalische Grundlagen Die Abstandswirkung der verschiedenen Wechselwirkungen und die Austauschteilchen sind zur Verdeutlichung in Tabelle 3.2 aufgeführt Das Myon Da, wie bereits diskutiert, in der Funkenkammer lediglich kosmische Höhenstrahlung detektiert wird, bedeutet dies in unserer Erdatmosphäre, dass es hauptsächtlich Myonen oder Neutrinos sind. Da die Neutrinos elektrisch neutral sind und somit nicht mit dem Detektionsmaterial wechselwirken, werden sie nicht als Funken dargestellt. Das bedeutet, dass nur die Myonen in der Funkenkammer sichtbar gemacht werden. Wie bereits in Kapitel 3.1 erwähnt, gehen aus den Pionen als Reaktionsprodukte die Myonen hervor. Über die Nukleonen-Nukleonen Wechselwirkung, also die Wechselwirkung zwischen zwei Atomkernen, entstehen Pionen der sekundären Höhenstrahlung und zerfallen unter anderem wie folgt: π + µ + + ν µ bzw. π µ + ν µ (3.1) Hierbei zerfällt ein positives Pion π + in ein positives Myon µ + und ein Myon- Neutrino ν µ. Äquivalent dazu zerfällt das negative Pion in ein negatives Myon und ein Myon-Antineutrino oder mit in einer Wahrscheinlichkeit von 1:8000 in ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino. Analog dazu verhält sich das positive Pion. π e + ν e bzw. π + e + + ν e (3.2) Bei den geladenen Teilchen, die die Erdoberfläche erreichen, handelt es sich zu 78% um Myonen, zu 20% um Elektronen und zu 1% um andere Teilchen [23]. Dass, trotz der geringen Wahrscheinlichkeit von 1:8000 des zerfallenden negativen Pions in ein Elektron, ca. 20% die Erdoberfläche erreichen, ist auf die Lebensdauer von τ = a zurückzuführen. Zudem werden bei der Elektonen-Photonen Komponente (Abbildung 3.1) hauptsächlich Elektronen gebildet [20]. Außerdem zerfällt ein negatives Myon in ein Elektron, ein Anti- Elektronneutrino und ein Myonneurtrion. µ e + ν e + ν µ (3.3) Analog dazu verhält sich das positive Myon, welches sich vom negativen Myon nur durch die Ladung unterscheidet. Das Verhältnis von positiven Myonen

21 3.3. Plasmaphysik 15 zu negativen Myonen an der Erdoberfläche beträgt ungefähr 1,2. Die meisten Myonen werden in ca. 15km Höhe durch den Zerfall der Pionen produziert. Um ihre Reichweite zu berechnen, verwendet man die Formel s = v τ. Die mittlere Lebensdauer der Myonen beträgt τ µ = 2, s, bei einer Geschwindigkeit v 0, 9998c mit c = 2, m. Dies ist die klassische s Rechnung der zurücklegbaren Strecke. Errechnet ergibt das s 658m. Da sie jedoch in 15km entstehen, würden sie die Erdoberfläche nach dieser Rechnung nicht erreichen. Diese Rechnung vernachlässigt jedoch die relativistische Zeitdilatation, die berücksichtigt werden muss, da die Geschwindigkeit der Myonen sich der Lichtgeschwindigkeit annähert. Um die Lebensdauer relativistisch zu berechnen, wird die Formel τ = τ (3.4) 1 v2 c 2 benutzt. Somit ergibt sich τ 1, s. Über die Formel s = v τ kann man nun die Strecke relativistisch berechnen, somit beträgt s 32, 92km. Die Reichweite der Myonen ist zudem abhängig von ihrer Energie, wobei die mittlere Energie beim Auftreffen auf die Erdoberfläche ca. 4GeV beträgt [16]. 3.3 Plasmaphysik Ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas bezeichnet man als Plasma. Der Begriff Plasma geht auf Irving Langmuir 1928 zurück. Wegen des Phasenübergangs von einem isolierenden Zustand in einen leitenden wird das Plasma neben den Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Die Erzeugung eines Plasmas im Labor wird durch die Ionisation von Atomen realisiert und häufig durch das Anregen von Atomen durch hohe Temperaturen erzeugt oder durch Teilchenstöße. Um Bezug auf das vorliegende Experiment zu nehmen, ist zu erwähnen, dass die Darstellung der Teilchen durch Funken geschieht. Da Funken die Eigenschaften eines Plasmas tragen, wird somit ein Laborplasma produziert. Charakterisiert wird ein Plasma durch dessen Elektronentemperatur und - dichte. Zur Erzeugung eines Plasmas muss mindestens ein Elektron vorhanden sein, das durch die Beschleunigung in einem elektrischen Feld ein Atom ionisiert. Erzeugt jedes Elektron ein weiteres, so spricht man durch den exponentiellen Aufbau der Entladung von einem lawinenartigen Prozess, der

22 16 3. Physikalische Grundlagen durch den Townsendkoeffizienten α in Formel 3.4 beschrieben wird. Er ermittelt die Zahl der Elektron-Ion-Paare, die ein freies Elektron pro zurückgelegter Wegstrecke bildet [7]. Um den lawinenartigen Prozess beginnen zu lassen, ist die Voraussetzung, dass mindestens ein Elektron vorhanden ist, dass eine Vermehrung bewirkt. Da es das Ausgangselektron ist wird dieses auch Primärelektron genannt. Diese Primärelektronen wird durch externe Elektronenzufuhr erzeugt oder, wie in dem vorliegenden Experiment der Funkenkammer, durch Ionisation von natürlicher Strahlung produziert. chemisches Element Symbol Ionisationsenergie Helium He 24,59 ev Neon Ne 21,4 ev Stickstoff N 14,5 ev Tabelle 3.3: Ionisationsenergien der beim Experiment verwendeten Gase Laborplasmen sind aufgrund ihrer relativ hohen Elektronendichte gute Leiter. Durch die unterschiedlichen Gasdichten unterscheidet man zwischen Hoch- und Niederdruckplasmen, die aufgrund unterschiedlicher Mechanismen erzeugt werden. Im Niederdruckbereich geschieht dies durch den Townsend-, im Hochdruckbereich durch den Streamermechanismus. Ein Niederdruckplasma zeichnet sich dadurch aus, dass es bei einem Druck von ca. 1013, 25mbar produziert wird und die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer als die der Debye-Länge λ ist. Ab 100mbar wird ein Plasma als Hochdruckplasma benannt [6]. Betrachtet man ein Plasma als ein Ensemble, das aus vielen geladenen Teilchen besteht, die als Ganzes betrachtet das Plasma neutral erscheinen lassen. Diese Eigenschaft eines Plasmas wird als Quasineutralität bezeichnet. Die Grenze, innerhalb der diese Quasineutralität nicht vorliegt, wird als Debye- Länge λ bezeichnet.

23 3.4. Gasentladung und Funkenbildung 17 λ = (ɛ 0 k B T e ) e 2 n e (3.5) Die Debye Länge ist abhängig von der Elektronendichte n e und der Elektronentemperatur T e. Eine weitere charakteristische Größe eines Plasmas ist die Plasmafrequenz w e. Wird ein Elektron oder Ion aus der Ursprungslage ausgelenkt, so entstehen durch die Coulombkräfte der geladenen Teilchen starke rücktreibende Kräfte. Aufgrund der wesentlich niedrigeren Elektronenmasse schwingen diese dann um ihre Ruhelage. Die Frequenz der Schwingung wird als Plasmafrequenz bezeichnet. ne ω p = 2 (3.6) ɛ 0 m e Sie wird beschrieben durch die Elektronendichte n, die Elementarladung e, die Elektronenmasse m e ist und Dielektrizitätskonstante ɛ Gasentladung und Funkenbildung Da es sich bei der Funkenkammer um eine mit Atmosphärendruck gefüllte Gaskammer von 1013,25 mbar handelt, wird im Folgenden die Erzeugung eines Funkens erläutert. (Abbildung 3.2) Die Funkenkammer besteht aus einem Gasvolumen, in der sich Elektroden befinden. Wird an die Elektroden ein elektrisches Feld angelegt, so werden die vorhandenen Ladungsträger beschleunigt. Bei genügend hoher Feldstärke werden die Ladungsträger vorwiegend durch Stoßprozesse lawinenartig vermehrt. Dazu zählen Stöße genügend schneller, geladener Teilchen gegen ein neutrales Molekül oder Atom. Als Voraussetzung für die Ionisierung muß die Energie der stoßenden Teilchen größer oder gleich der Ionisierungsenergie des Atoms sein. Elektronen können beim Durchlaufen der Gasentladungsstrecke eine mehrfache Ionisation bewirken. In der Funkenkammer bildet die Gasentladungsstrecke den Abstand zwischen der Zündkerze und der Elektrode der Zündkammer (Kapitel 4.7) bzw. zwischen den Messingplatten der Kammer.

24 18 3. Physikalische Grundlagen Abbildung 3.2: Funkenentwicklung eines Hochdruckplasmas [8] Bei einer Hochdruckentladung vor der Entstehung eines Funkens ordnen sich die Ladungsträger tropfenförmig an. Die Elektronen laufen mit hoher, untereinander gleicher Geschwindigkeit im Gegensatz zu den langsamen Ionen, die beinahe an ihrem Entstehungsort zurückbleiben und somit den Schwanz der Lawine mit überwiegend positiver Ladung bilden. Die Ladungsdichte im Lawinenkopf ist wesentlich größer als im Lawinenschwanz. Aufgrund dieser Ladungsverteilung entsteht eine Feldanhebung, die eine überhöhte Ionisation zur Folge hat und somit eine schnelle fortschreitende Geschwindigkeit der Ionisation besitzt. Die Feldanhebung vor dem Lawinenkopf und im Lawinenschwanz führt zu einer überhöhten Strahlungsemission, die überwiegend Ultraviolettstrahlung ist. Da die hochenergetische UV-Strahlung erneut Ionisation hervorruft, werden neue Lawinen gebildet. Es kommt zur Entladung. Vor der Entladung findet eine, wie zuvor beschrieben, lawinenartige Vermehrung statt. Die Anzahl der anregungsfähigen Elektronen ist dabei eine Funktion der Feldstärke E und der mittleren freien Weglänge, die umgekehrt proportional zum Gasdruck ist. Hält man das Verhältnis E/p konstant, so steigt aufgrund der höheren Packungsdichte die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstosses proportional mit dem Druck. Zusammengefasst ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen Townsendkoeffizienten α und Gasdruck p: B α p = A Ep e (3.7)

25 3.4. Gasentladung und Funkenbildung 19 Dabei sind A und B Gaskonstanten, wobei B die Stufenionisation beschreibt. Die Konstanten werden aus dem Clausius-Weglängengesetz ermittelt. Die Formel (3.4) macht deutlich, dass nur bei einer geringen B-Konstante (V / cm*torr) eine Zunahme der Feldstärke erfolgt. Bei Helium beträgt diese Konstante 34, bei Neon 100. Zum Vergleich, beträgt der Wert bei Argon 180 [21]. Neon ist das Edelgas mit der größten Entladungsspannung und der Funken färbt sich in einer Gasentladung je nach dem inneren Gasdruck rotorange bei Unterdruck, blauviolett bei Atmosphärendruck und rotviolett bei Hochdruck [15]. Element Gaskonstante A Gaskonstante B Helium 3 1 cmt orr 34 V cmt orr Neon 4 1 cmt orr 100 V cmt orr Stickstoff 12 1 cmt orr 342 V cmt orr Tabelle 3.4: Übersicht der Gaskonstanten der beim Experiment verwendeten Gase bei Normaldruck (p = 759T orr) Innerhalb der Funkenkammer bilden sich zwei Lawinen, die Primäre und die Sekundäre. Sie dehnen sich in Richtung der Elektroden aus (Abbildung 3.2) und bilden entlang der Teilchenspur einen Plasmakanal, der durch seine leitenden Eigenschaften als Funkenentladung sichtbar wird. Der sogenannte Streamer-Mechanismus läuft innerhalb einer Zeit von 10 8 s ab. Für das Experiment ist es ratsam ein Gas zu wählen, dass bereits bei niedriger Spannung einen hohen Townsendkoeffizienten haben. Hierzu ist in Abbildung 3.3 der Townsendkoeffizient für verschiedene Gase abgebildet. Beim errechnen der elektrischen Felder ergibt es theoretisch für Helium-Neon einen Wert von ca. 5kV/cm, der sich auch mit den experimentellen Erfahrungen deckt. Für Luft würde man bereits eine Spannung von ca. 19kV/cm benötigen, die mit unseren Geräten jedoch nicht möglich ist.

26 20 3. Physikalische Grundlagen Abbildung 3.3: Townsendkoeffizient auf den Druck normiert, gegen das Verhältnis E/p aufgetragen 3.5 Detektorphysik Ein Detektor ist ein technischer Aufbau zur Messung und Nachweis von Teilchen und Strahlung. Aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet das Wort Detektor Entdecker. Je nach Fragestellung verwendet man verschiedene Detektoren: So ist entscheidend, ob man eine Orts-, Impuls-, Zeit-, Energiemessung oder Teilchenidentifikation vornehmen möchte. Bei der Funkenkammer handelt es sich um ein Ionisationsexperiment, bei dem schnelle, geladene Teilchen detektiert werden, da sie beim Durchqueren des Detektormaterials mit den vorhandenen Atomen wechselwirken. Die Funkenkammer beruht auf dem Prinzip des gasgefüllten Detektors. Dieser besitzt jedoch verschiedene Bauarten wie zum Beispiel Ionisationskammer, Proportionalitätszähler, Geiger-Müller-Zähler oder Auslösezähler. Die Grundlage eines gasgefüllten Detektors besteht aus zwei Elektroden, zwischen denen sich Gas befindt, das somit einen elektrischen Isolator darstellt. (Abbildung 3.4) Durch Strahlung werden Elektronen-Ionen-Paare erzeugt. Durch das angelegte elektrische Feld werden die Elektronen zur Anode beschleunigt und die positiven Ionen zur Kathode. In dem Stromkreis fließt nun ein Strom, der am

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