Versuch 3.2 Höhenstrahlung

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1 Institut für Kernphysik der Universität zu Köln Praktikum M Versuch 3.2 Höhenstrahlung Stand 14. April 2014

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 2 Grundlagen 2 3 Stichworte zur Vorbereitung 3 4 Versuchsdurchführung Inbetriebnahme der Detektoren und Signalsuche Einstellung der Diskriminatorschwellen und Walk-Korrektur Winkelverteilung der Myonen und Ost-West-Effekt Geschwindigkeitsverteilung der Myonen Auswertung 7 A Sicherheitshinweise 8 Literaturverzeichnis 14

3 2 2 GRUNDLAGEN 1 Einführung Unsere Erde ist ständig kosmischer Strahlung ausgesetzt, deren primäre Komponente zum Großteil aus leichten Atomkernen besteht. Diese Teilchen erreichen Energiehöchstwerte von bis zu ev. Energien, die in den modernsten Beschleunigern, wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern ( ev), nicht erreicht werden. Durch Stöße mit den Atomkernen der Moleküle in der Erdatmosphäre entsteht die sekundäre Komponente, deren Teilchen sich hier auf der Erde nachweisen lassen. Ein wichtiger Bestandteil dieser Sekundärkomponente ist das Elementarteilchen namens Myon. In diesem Praktikumsversuch werden mit Hilfe von Plastikszintillatoren, moderner Messelektronik und der Koinzidenzmethode die Eigenschaften des Myons studiert. 2 Grundlagen Seit Viktor Hess zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit systematischen Studien die Anzahl der ionisierenden Teilchen in verschiedenen Höhen der Erdatmosphäre gemessen und bei seinen Ballonfahrten eine Zunahme dieser Teilchen mit zunehmender Höhe beobachtet hat, ist bekannt, dass die Erde ständig von ionisierender Strahlung bombadiert wird, die einen extraterrestrischen Ursprung hat. Nach unabhängingen experimentellen Bestätigungen durch Kolhörster und die Arbeitsgruppe um Robert Milikan erhielt Viktor Hess 1936 den Physik- Nobelpreis für die Entdeckung der kosmischen Strahlung. (a) (b) Abbildung 1: (a) Primäre kosmische Teilchen induzieren Teilchenschauer sekundärer Teilchen in der Erdatmosphäre [1]. (b)wolkenbedeckung der Erde (Symbole) im Vergleich mit der Variation des kosmischen Teilchenflusses (durchgezogene Linie) und der Variation des 10.7 cm Radioflusses der Sonne (gestrichelte Linie) über einen Sonnenzyklus [2]. Auch heute ist die Entstehung kosmischer Strahlung, sowie die Konsequenzen ihrer Existenz noch Inhalt aktueller Forschung. Denn selbst mehr als 100 Jahre nach ihrer Entdeckung ist ihr Ursprung nicht vollends geklärt. Sowohl Supernova-Schockwellen, Teilchenstrahlen aktiver Galaxien als auch der Zerfall noch unbekannter Elementarteilchen werden als Beschleunigungsquellen der energetischten Teilchen mit Energien bis zu ev disktutiert [1]. Ein weiterer Hinweis, dass kosmische Strahlung einen Einfluss auf Leben bzw.

4 3 das Klima auf der Erde haben könnte, wurde um die Jahrtausendwende von Henrik Svensmark vorgeschlagen [2]. Svensmark zeigte auf, dass die Wolkenbedeckung der Erde enger korreliert sei mit der Variation vom kosmischen Teilchenfluss als mit dem 10.7 cm solaren Radiofluss, welcher ein mögliches Mass für die Strahlungsintensität der Sonne ist (siehe Abb. 1 (b)). Weitere Studien von N. Marsh und H. Svensmark ließen vermuten, dass kosmische Strahlung vor allem einen Einfluss auf niedrigere Wolken (> 680 hpa) hätte [3]. So könnte ein durch die Sonne modulierter Fluss galaktischer kosmischer Strahlung (engl.: Galactic cosmic rays (GCR)) Ionisationsprozesse in niedrigeren Höhen beeinflussen, welche ihrerseits die Bildung von Aerosolen und somit diesen als cloud condensation nuclei (CCN) entscheidend verändern könnten [3]. In diesen Höhen (unterhalb von 16 km) machen den Großteil geladener Teilchen hochenergetische Myonen und Elektronen aus [4], welche zur sekundären Komponente der kosmischen Strahlung gehören. Ziel dieses Praktikumsversuches ist es die Myonen mittels moderner Messinstrumente nachzuweisen. Der Nachweis ist ein direkter Beweis, dass die Myonen sich mit Geschwindigkeiten von ca. 0.99c bewegen und den Erdboden somit trotz ihrer Lebensdauer von nur s erreichen können. 3 Stichworte zur Vorbereitung Zur erfolgreichen Durchführung des Versuches ist eine sinnvolle Vorbereitung zum Versuchstag unabdingbar. Folgende Sachverhalte sollten vorbereitet werden. Primäre und Sekundäre Komponente der kosmischen Strahlung: Hauptbestandteile und Energien der primären Komponente, Aufbau der Erdatmosphäre, Entstehung der sekundären Komponente, Einteilung der Sekundärkomponente, Entstehung von Radionukliden in der Atmosphäre Winkelverteilung der kosmischen Strahlung, Ost-West-Effekt Das Elementarteilchen Myon: Leptonen, Eigenschaften Versuchsaufbau: Funktionsweisen von Szintillationsdetektoren (Anorganische und organische Szintillatoren), Photomultipliern, Diskriminatoren(speziell: Constant-Fraction Discriminator), Gategeneratoren und Time-to-Amplitude Convertern (TAC), sowie das Grundprinzip der Koinzidenzmethode 4 Versuchsdurchführung 4.1 Inbetriebnahme der Detektoren und Signalsuche Die Photomultiplier an den Plastikszintillatoren werden mit einer Hochspannung von ca. 900 V versorgt. Diese ist am Hochspannungsmodul voreingestellt. Bevor dieses in Betrieb genommen werden kann, muss der Detektor mit dem Modul verbunden werden. Auf keinen Fall ist vorher Hochspannung anzulegen. Bitte vor dem Anlegen der

5 4 4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Abbildung 2: Der Versuchsaufbau bestehend aus zwei Plastikszintillatoren in einem drehbar gelagerten Rahmen. Zusätzlich ist eine mögliche Myonentrajektorie skizziert. Hochspannung immer Rücksprache mit dem Betreuer halten. Zum Finden des Detektorsignals wird nun der Signalausgang des Detektors mit dem Oszilloskop verbunden. Die charakteristischen Merkmale des Sinales sind zu notieren (Anstiegszeit, Abklingzeit). 4.2 Einstellung der Diskriminatorschwellen und Walk-Korrektur Um eine sinnvolle Messung der Myonen mit dem Versuchsaufbau durchführen zu können, ist es notwendig Signale der Untergrundstrahlung zu unterdrücken, die γ-energien bis zu einigen wenigen MeV aufweist. Hierzu wird eine Quellenmessung mit 226 Ra durchgeführt, um eine höhere Zählrate solcher Ereignisse zu garantieren. Das Detektorsignal wird an den Constant-Fraction Discriminator (CFD) weitergegeben (Modell 935 von Ortec [5], siehe Abbildung 3 (a)). Die Ausgänge OUT und CF Monitor (M) des Moduls werden auf das Oszilloskop gegeben. In Abbildung 3 (b) sind die beiden Ausgangssignale gezeigt. Bevor jedoch die Schwelle gewählt werden kann, sind die Einstellungen des CFDs zu optimieren, um optimale Ausgangssignale zu erhalten. Dazu ist wie folgt vorzugehen: 1. Das externe Delaykabel ist mit einer Länge zu wählen, die der Zeit entspricht, die das Eingangssignal benötigt um von 20% auf den vollen Wert der Signalamplitude zu steigen. Ein Beispiel für ein gutes Signal ist in Abbildung 3 (b) gezeigt.

6 4.3 Winkelverteilung der Myonen und Ost-West-Effekt 5 (a) (b) Abbildung 3: (a) Eine der vier Einheiten des Constant-Fraction Discriminators (CFD). Die Inund Outputs, sowie Stellschrauben sind im Text erklärt. Entnommen auf Referenz [5]. (b) CF Monitor (M) Output (violett) und logisches Output-Signal (OUT) (gelb) des CFDs. 2. Mit der Stellschraube Z ist die Walk-Korrektur durchzuführen. Hierzu wird der CFD- Output (OUT) als Trigger genutzt, während der CF Monitor (M) auf dem anderen Kanal des Oszilloskops betrachtet wird. Die Walk-Korrektur ist so zu wählen, dass alle Eingangssignale den Nulldurchgang (Zero-Crossing Time) zur gleichen Zeit haben. 3. Die Breite des logischen Outputs ist mit der Stellschraube W auf 10 ns zu stellen. Nach diesen Voreinstellungen kann die Schwelle bestimmt werden. Dazu wird die Zählrate ohne Quelle mit der Zählrate mit Quelle verglichen. Die Quelle wird für diese Messungen in einem sinnvollen Abstand zum Photomultiplier positioniert. Die eingestellte Schwelle (Stellschraube T) kann mit dem Multimeter überprüft werden. Dabei ist diese so zu wählen, dass kein Einfluss der Quelle auf die Zählrate zu erkennen ist. Die Schwelle sollte jedoch auch nicht zu hoch gewählt werden, da hieraus weniger Statistik und längere Messzeiten resultieren würden. 4.3 Winkelverteilung der Myonen und Ost-West-Effekt Für unterschiedliche Winkel des Messaufbaus relativ zum Horizont werden verschiedene Zählraten aufgrund des zurückgelegten Weges der Myonen erwartet. Hieraus resultiert eine charakteristische Winkelverteilung [6]. Aufgrund des vorwiegend positiven Ladungscharakters der primären Komponente wird zusätzlich ein schwacher Ost-West-Effekt bei

7 6 4 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG den Breitengraden dieses Messaufbaus erwartet. Ziel dieses Versuchsteils ist es die Winkelverteilung für jeweils abwechselnd zu messende Ost-/Westausrichtung des Aufbaus zu messen und die Stärke des Ost-West-Effektes zu bestimmen. Winkeleinstellungen sind in Schritten von 10 bis 40 Grad zu messen. Als Maß für den Ost-West-Effekt ist der Ost- West-Asymmetriekoeffizient ǫ anzugeben. ( i N(θ W ǫ = i ) N(θi O ) ) i (N(θW i +N(θi O )) N(θ W i ) und N(θ O i ) entsprechen den gemessenen Ereignissen unter den jeweiligen Winkeln. Bevor jedoch die Messung begonnen werden kann, muss sichergestellt werden, dass gleichzeitige (koinzidente) Signale tatsächlich auch als solche detektiert werden. Dazu wird eine Messung mit 22 Nadurchgeführt. DieseQuellesendet zwei koinzidente, ausder Paarvernichtung resultierende γ-quanten von 511 kev in einem Winkel von nahezu 180 zueinander aus. Eine Positionierung der Quelle zwischen den beiden Detektoren erlaubt somit eine Abstimmung der Koinzidenzschaltung. Dazu ist wie folgt vorzugehen: 1. Die Quelle wird mittig zwischen den beiden Detektoren positioniert. 2. Die Schwellenwerte des CFDs sind zu notieren (!), da die Schwelle gesenkt werden muss, um die 511 kev Linie detektieren zu können. Da mit Plastikszintillatoren gemessen wird, wird nicht ein Full-Energy Peak erwartet. 3. Die Output-Signale des CFDs werden auf das Oszilloskop gegeben. Bereits jetzt kann die aus dem Aufbau und der Verabeitung der Signale resultierende Verzögerung zeitgleicher Signale abgeschätzt werden. Falls notwendig, ist einer der beiden Signalwege über eine Delay-Box so zu verzögern, dass zeitgleiche Signale vorliegen. 4. Das Output-Signal (OUT) des CFDs wird nun an die LeCroy-Koinzidenzeinheit weitergeleitet. Hier ist eine Zweifach-Koinzidenz zu wählen. Der Koinzidenzausgang (OUT) wird genutzt. Dieses Signal wird an den Gategenerator gegeben. Eine Signalbreite von 150 ns ist hier zu wählen. Dazu den TTL-Ausgang an das Oszilloskop anschließen. 5. Zuletzt ist die in Teil 4.2 bestimmte Schwelle am CFD wiedereinzustellen. Es kann nun mit der Messung begonnen werden. Dazu wird der TTL-Output des Gategenerators an den Zähler angeschlossen. Die Messdauer beträgt 20 Minuten pro Winkel. 4.4 Geschwindigkeitsverteilung der Myonen Der Grund, weswegen die Myonen trotz ihrer kurzen Lebensdauer den Erdboden erreichen können, ist die Tatsache, dass sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. In diesem Versuchsteil soll die Myonen-Geschwindigkeit bestimmt werden. Dazu sind einige Messungen nötig.

8 7 Zum Messen der relativen Zeit zwischen zwei koinzidenten Ereignissen und somit der Flugzeit der Myonen zwischen den Detektoren wird ein sogenannter Time-to-Amplitude Converter (TAC) genutzt. Um eine Kanal-Zeit Zuordnung durchführen zu können, ist vorher eine Kalibrierung des TACs notwendig. Hierzu kommt erneut die 22 Na-Quelle zum Einsatz. Es ist wie folgt vorzugehen: 1. Die Quelle wird erneut zwischen den beiden Detektoren plaziert und die CFD- Schwelle soweit erniedrigt, dass die Quellenereignisse registriert werden. 2. Der CFD-Output (OUT) wird auf das Oszilloskop gegeben. Über die Delay-Box ist das Delay so zu wählen, dass koinzidente Signale der Quelle nach der Verarbeitung durch den CFD in den Signalsträngen vorliegen. 3. Durch zusätzliche Delays kann der TAC nun kalibriert werden. Dabei gibt der obere Detektor das Start- und der untere Detektor das Stoppsignal. Das Stoppsignal sollte immer nach dem Startsignal anliegen. Ansonsten kann keine sinnvolle Messung vorgenommen werden. Die Messung wird für fünf verschiedene Delays durchgeführt. Hierzu wird das TAC-Signal an den multi-channel analyzer (MCA) weitergeleitet, welcher mit dem PC verbunden ist. Zur Aufnahme der Zeitspektren steht eine MCA Software zur Verfügung. Nach der Kalibrierung ist die CFD-Schwelle wieder auf den in Teil 4.2 bestimmten Wert zu stellen. Danach kann mit der ersten Messung zur Bestimmung der Myonengeschwindigkeit begonnen werden. Erneut gibt der obere Detektor das Start- und der untere Detektor das Stoppsignal. Der untere Detektor ist mit einem sinnvollen Delay zu verzögern. Die Messung kann nun begonnen werden und wird über Nacht laufen, um genügend Statistik zu sammeln. Die zweite Messung wird am nächsten Tag gestartet. Für diese ist der Detektorrahmen um 180 zu drehen. Wie lässt sich nun die Myonengeschwindigkeit bestimmen? 5 Auswertung Die Auswertung sollte der Struktur der Versuchsanleitung folgen. Zu diskutieren sind alle in den Teilen 3 und 4 genannten Punkte in einem angemessenen Rahmen. Zur Angabe von Resultaten gehören Fehlerangaben. Auf eine korrekte Fehlerrechnung und -abschätzung ist zu achten. Folgende Größen sind zu bestimmen: 1. Funktion zur Beschreibung der Winkelverteilung, 2. Ost-West Asymmetriekoeffizient, 3. Funktion zur Kanal-Zeit Zuordnung für den TAC, 4. Myonengeschwindigkeit. Abschließend sind alle Ergebnisse dieses Versuches zu diskutieren und mit den Erwartungen zu vergleichen.

9 A Sicherheitshinweise

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13 Strahlenschutzanweisungen zum Umgang mit radioaktiven Quellen im Praktikum des Instituts für Kernphysik der Universität zu Köln Erstellt am Zugangsbeschränkungen Personen unter 18 Jahren dürfen nicht im Praktikum arbeiten. Schwangere dürfen nicht mit radioaktiven Quellen oder in Räumen, in denen sich radioaktive Quellen befinden, arbeiten. Nur die schriftlich mit Testatbögen erfassten Studierenden, die an der Strahlenschutzunterweisung teilgenommen haben. dürfen in den Praktikumsräumen unter Aufsicht der Betreuer mit radioaktiven Quellen Versuche durchführen. Besucher sind in den Praktikumsräumen, wenn sich dort radioaktive Quellen befinden, nicht zugelassen. 2. Umgang mit radioaktiven Quellen Die radioaktiven Quellen werden vor Beginn des Praktikums durch einen Strahlenschutzbeauftragen oder eine eingewiesene Person in die jeweils benutzten Apparaturen eingebaut oder in die zum jeweiligen Experimentaufbau gehörende Bleiabschirmung gelegt. Diese dokumentieren die Ausgabe in der im Lagerraum ausliegenden Liste nach Anhang B. Bei Transporten in andere Physikalische Institute der Universität zu Köln ist außerdem ein Begleitzettel nach Anhang A beizufügen. Nach dem Ende des Praktikums werden die radioaktiven Quellen durch den gleichen Personenkreis wieder ins Lager gebracht. Wenn sich radioaktive Quellen in einem Praktikumsraum befinden, muss dieser mit dem Schild Überwachungsbereich, Zutritt für Unbefugte verboten gekennzeichnet sein. Dieses Schild wird entfernt, wenn sich keine radioaktiven Quellen im Raum befinden. Eine Entfernung dieser radioaktiven Quellen aus dem Praktikumsbereich ohne Absprache mit dem Strahlenschutzbeauftragten ist unzulässig. Während des Praktikums dürfen sich die radioaktiven Quellen nur am vorgesehenen Messort oder in der bei jedem Versuch aufgebauten Bleiabschirmung befinden. Beim Verlassen der Räume ist darauf zu achten, dass Türen verschlossen und Fenster geschlossen sind, auch wenn es sich nur um eine kurze Zeit handelt. Alpha-Quellen, die fest eingebaut sind, bleiben ständig in der Apparatur und dürfen nicht von Studierenden ausgebaut werden.

14 Beta-Quellen dürfen nur mit Schutzhandschuhen oder Pinzetten gehandhabt werden. 3. Verhalten im Gefahrenfall Beschädigungen der radioaktiven Quellen oder auch der Verdacht auf eine Beschädigung ist sofort dem Betreuer oder einem Strahlenschutzbeauftragten zu melden. Es darf mit einer solchen Quelle nicht weiter gearbeitet werden. Eventuell kontaminierte Bereiche müssen sofort abgesperrt werden. Bei Brand, Explosion oder anderen Katastrophen ist immer außer dem Institutsdirektor und dem Hausmeister ein Strahlenschutzbeauftragter hinzuzuziehen. 4. Strahlenschutzbeauftragte Strahlenschutzbeauftragte für radioaktive Stoffe im Institut für Kernphysik der Universität zu Köln sind Strahlenschutzbeauftragte Bereiche Zell Fransen Dewald Praktikum Experimentier-Hallen, aus- Arbeiten in Präparate: wärtigen Arbeiten mit Anlagen, Quellen in Transport anderen radioaktiver Räumen Stoffe Beschleuniger

15 Literatur [1] Welt der Physik Kosmische Strahlung [2] Henrik Svensmark: Influence of Cosmic Rays on Earth s Climate Physical Review Letters 81 (1998) 5027 [3] Nigel D. Marsh and Henrik Svensmark: Low Cloud Properties Influenced by Cosmic Rays Physical Review Letters 85 (2000) 5004 [4] Nigel D. Marsh and Henrik Svensmark: Cosmic Rays, Clouds and Climate Space Science Reviews 94 (2000) 215 [5] Ortec Quad 200-MHz Constant-Fraction Discriminator Manual [6] Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Wie lässt sich die kosmische Strahlung nachweisen? [7] Otto Claus Allkofer Introduction to Cosmic Radiation (Verlag Karl Thiemig, Deutschland, München, 1975) [8] Claus Grupen Astroteilchenphysik: Das Universum im Licht der kosmischen Strahlung (Springer Verlag, Deutschland, 2001) Astroparticle Physics (Springer Verlag, Deutschland, 2005) [9] Glenn F. Knoll Radiation Detection and Measurement (John Wiley & Sons, United States of America, 2010) [10] Kenneth S. Krane Introductory Nuclear Physics (John Wiley & Sons, United States of America, 1987)