Wasser-Cerenkov-Detektor für physikalische Praktika
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- Hildegard Armbruster
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1 Wasser-Cerenkov-Detektor für physikalische Praktika Fakultät für Physik / Institut für Kernphysik KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
2 Idee Bisher: Wasser-Cherenkov-Kannen mit gealterten Photomultipliern (PMT) Ziel: state-of-art Kannen mit optischen Fibern und Silicon- Photomultipliern (SiPM) Vorteile: geringere Betriebsspannung (unter 60 Volt DC!) geringere Empfindlichkeit gegenüber Licht kostengünstiger robuster und kompakter blogspot.de/2013/05/ photomultiplier-tube.html 2
3 Möglichkeiten Die transportablen Detektoren können von Schulen als einfache Möglichkeit genutzt werden Myonen aus der kosmischen (sekundär) Strahlung nachzuweisen. Mithilfe von nachgewiesenen Doppelpulsen kann die mittlere Lebenszeit von Myonen berechnet werden. Der Versuch eignet sich also hervorragend als Demonstrationsexperiment beim Thema spezielle Relativitätstheorie. Die Funktionsweise des Detektors ist einfach, sie kann also einfach erklärt und verstanden werden. Trotzdem ist sie analog zu weltweit führenden Experimenten, also nah an der Forschungsrealität. 3
4 Aktueller Aufbau 4
5 Die einzelnen Teile In der Kanne Es handelt sich um eine handelsübliche Thermoskanne. In der Kanne hängen lichtleitende Fasern, diese sollen das Cerenkov-Licht zum Detektor führen. Zukünftig werden andere Möglichkeiten getestet, wie das Licht zum Detektor kommen kann. 5
6 Die einzelnen Teile Die Halterung Der Silicon-Photomultiplier ist auf einem Board (grün) verbaut, welches wasserdicht verklebt wurde in einem sogenannten Cookie (durchsichtig). Der Cookie wird in einem 3Dgedruckten Adapter (schwarz) in die Kanne geschraubt. 6
7 Die einzelnen Teile der Verstärker An das Verstärkerboard werden links ±5V für einen x10 Operationsverstärker angelegt. Das Signal wird dann rechts ausgegeben. Außerdem wird über die gleiche Stromversorgung eine Gleichspannung von 55V an den SiPM- Sensor angelegt. Aktuell wird ein für IceCube entworfenes Verstärkerboard verwendet. Ein einfacheres, günstigeres Board wird entworfen, welches an die Bedürfnisse dieses Demonstrationsexperimentes angepasst ist. 7
8 Die einzelnen Teile die Spannungsversorgung Die Spannungsversorgung läuft aktuell mit 2 mal 5 Volt. Es wird untersucht ob eine Stromversorgung über ein 5V USB-Netzteil möglich wird. 8
9 Die einzelnen Teile das Oszilloskop Ausgelesen werden die Daten mithilfe eines PicoScopes. Diese sind einfach zu handhaben und kompatibel mit Windows, Mac und Linux. Ein PicoScope ist auch im weiteren Schulgebrauch verwendbar und nicht auf die Verwendung mit diesem Versuch beschränkt. Eine andere Signalauslese wäre möglich, erschwert aber die Analyse. 9
10 Die einzelnen Teile die Analyse Die mit dem Picoscope ausgelesenen Daten werden mithilfe des von Prof. Dr. Quast frei zur Verfügung gestellten picocosmo-programms analysiert. Für weitere Informationen wird auf seine GitHub-Seite verwiesen: Dieses Programm kann auf einem Raspberry Pi betrieben werden. Hierdurch kann das Experiment fast überall aufgebaut werden. 10
11 Erste Messungen Erste Testmessungen zeigen, dass der aktuelle Aufbau prinzipiell funktioniert und Cherenkov Blitze gemessen werden können. Ein Nachweis über die Bestimmung der Myonlebensdauer steht noch aus. 11
12 Zusammenfassung Kompletter Aufbau eines Demonstrationsexperimentes mit Materialen des IceCube Detektors, handelsüblichen Thermoskannen sowie PicoScope und RasperryPi. Messung der Cherenkov-Blitze mit den entwickelten SiPM-Kannen möglich. Zur Nutzung als Schülerexperiment soll der Aufbau weiter vereinfacht werden um einen kostengünstigen und leicht transportablen Myonendetektor zur Nutzung im Unterricht zu haben. 12
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