Versuch Nr. 19: Kosmische Höhenstrahlung

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1 Versuch Nr. 19: Kosmische Höhenstrahlung 1. Einleitung : Die experimentelle Teilchenphysik kann überwiegend nur in den Laboratorien der Beschleunigeranlagen durchgeführt werden. Mit der kosmischen Höhenstrahlung steht jedoch auch für das Praktikum eine kostenlose Teilchenquelle zur Verfügung. Den Hauptteil der Höhenstrahlung, der Meeresniveau erreicht, stellen mit etwa 90% die Myonen dar. Neben dem bloßen Nachweis dieser relativistischen Teilchen besteht das Ziel darin, grundlegende Kenntnisse über die charakteristischen Eigenschaften hochenergetischer Teilchen und deren Nachweis zu vermitteln. Der erste Teil des Versuchs soll mit den Kalibrierungsverfahren und der Meßmethodik mit Hilfe einer mehrdimensionalen Datenaufnahme vertraut machen. Im zweiten Teil soll diese Technik bei der Aufnahme verschiedener Spektren zur Bestimmung des Energieverlusts und der Winkelabhängigkeit der Höhenstrahlteilchen angewandt werden. 2. Literatur : P. Brandt: Zulassungsarbeit zum Aufbau des Versuchs (speziell Kap. 2 und 5) W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments (Kap. 15 und 17) J. Wilson / G. Perry: Kosmische Strahlen (Kap und Kap. 2) H. Schmidt: Meßelektronik in der Kernphysik (Kap. 5, S ) G. Musiol / J. Ranft / R. Reif / D. Seeliger: Kern- und Elementarteilchenphysik (Kap. 4 und 5) H. Frauenfelder / E. Henley: Teilchen und Kerne (Kap. 3 und 5) 3. Vorbereitung : Was ist kosmische Höhenstrahlung? Woher kommt sie und aus welchen wesentlichen Elementen besteht sie? (Unterscheiden Sie hierbei zwischen Primär- und Sekundärstrahlung!) Wie entstehen dabei Myonen? Welchem Energieverlust unterliegen sie in 2 cm dickem Szintillator (Berechnen Sie diesen über die Bethe-Bloch-Formel)? Informieren Sie sich über die Landau-Verteilung und deren Unterschied zur Bethe-Bloch-Formel.

2 Die wesentlichen Detektorkomponenten Szintillator, Lichtleiter und Photomultiplier (PM) sollen sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer Funktionsweise kurz beschrieben werden. Zum Verständnis des Versuches ist es ferner wichtig, daß Sie sich vor Durchführung über die Eigenschaften und Aufgaben folgender elektronischer Geräte kundig machen: Photomultiplieramplifier (PMA), Diskriminator (D), Überlapp-Koinzidenzeinheit (KO), Analog to Digital Converter (ADC), Time to Digital Converter (TDC), Scaler (SC), Kabelverzögerung (KV). 4. Versuchsaufbau : Zum Nachweis der Höhenstrahlung werden zwei großflächige Plastik-Szintillationsdetektoren D1 und D2 (Fläche 64x32 cm 2, Dicke 2 cm) verwendet. Sie werden beidseitig von je einem Photomultiplier (D1: PM1 und PM2, D2: PM3 und PM4) ausgelesen. Für die Durchführung der Messungen wird die Koinzidenzschaltung aus nachfolgender Abbildung verwendet. Die analogen Photomultiplierpulse werden dabei zunächst auf einen Verstärker (PMA) gegeben und anschließend diskriminiert (D). In der Koinzidenzstufe (KO) werden dann die logischen Detektorsignale zu einem Triggersignal kombiniert, welches sowohl den Startimpuls für die Flugzeitmessung (TDC) als auch das Steuersignal (Gate) für die Bestimmung der Pulshöhen (ADC) liefert. Nach Konvertierung der Daten werden vom Aufnahmerechner die Inhalte von TDC und ADC ausgelesen und können in 1- und 2-dimensionalen Spektren dargestellt werden.

3 5. Versuchsdurchführung und Auswertung: Machen Sie sich zunächst mit der Versuchsanordnung, der Koinzidenzschaltung und dem Datenaufnahmeprogramm MULTI vertraut (Kurzanleitung liegt am Versuch aus). Beachten Sie für alle Versuche, daß die maximale Spannung von 2200 V an den Photomultipliern zu keiner Zeit überschritten wird! (Überspannung führt zur Zerstörung!) Die Spannung ist abzuschalten, wenn die Detektoren bewegt werden! (Hinweise des Betreuers beachten!) 1. Aufgabe Mit Hilfe einer 60 Co-Quelle soll die Ortsabhängigkeit der Pulshöhenverteilung eines Detektors (D1) ermittelt werden. Dieser ist hierzu in 15 Meßfelder unterteilt. Bestimmen Sie den Single Electron Response (SER) eines Photomultipliers und anschließend dessen Mehrelektronenereignisse aus dem Elektronensignal mit Hilfe des Oszilloskopes. Ermitteln Sie dabei auch den Verstärkungsfaktor des PMA s. Tragen Sie die Ausbeute des Photomultipliers als Funktion des Lichtweges auf und überlegen Sie, was der erhaltene Graph über den Detektor aussagt. Man nehme für drei Messfelder (B1, B3, B5) die ADC-Spektren der Photomultiplier PM1 und PM2 auf (Trigger mit PM1: Eingang A der Koinzidenzstufe). Die Energiekalibrierung für ein zentrales Meßfeld erfolgt mittels der Comptonkante des 60 Co-Spektrums. Beachten Sie, daß die Comptonkante aufgrund der zwei beitragenden γ-energien und der unterschiedlichen Streuwinkel der Photonen in den Spektren verschmiert ist. Im zweiten Teilversuch sollen die beiden Photomultipliersignale in Konzidenz ( A+B ) aufgenommen werden. Erklären Sie den Unterschied zwischen den freien und koinzidenten Spektren (man beachte dabei auch die Zählraten der beiden Triggereinstellungen A und A+B ). 2. Aufgabe Positionieren Sie das 60 Co-Präparat auf einem mittlerem Feld und überprüfen Sie mit Hilfe des Oszilloskopes die Länge sowie die Gleichzeitigkeit der Signale von PM1 und PM2 an den Eingän-

4 gen der Koinzidenzstufe. Außerdem skizziere man Form und relative zeitliche Lage der Analogsignale im Vergleich zum Gate am ADC sowie der Stoppsignale im Vergleich zum Start am TDC. Nehmen Sie die TDC-Spektren von PM1 und PM2 unter den Bedingungen A und A+B auf. Definieren Sie dazu auch ein 2-dimensionales Spektrum TDC PM1 gegen TDC PM2. Erklären Sie anhand der Unterschiede die Funktionsweise einer Überlapp-Koinzidenz. Zur Festlegung der Zeitführung (Startzeit am TDC) schalte man nun vor der Koinzidenz zusätzlich 16 ns in die Kabelverzögerung (KV) von PM1. Man beachte, daß gleichzeitig im ADC-Gate und im TDC-Start jeweils 16 ns herausgenommen werden müssen! (Warum?). Welche Veränderungen zeigen sich in den TDC-Spektren? 3. Aufgabe Führen Sie eine Kanaleichung des TDC s durch, indem sie definierte Kabelverzögerungen im TDC- Start zuschalten. Welche Auflösung und welchen dynamischen Bereich besitzt der TDC? Bestimmen Sie danach die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Szintillator, indem Sie für 3 verschiedene Positionen des 60 Co-Präparates die Differenz der TDC s von PM1 (Parameter P1) und PM2 (Parameter P2) aufnehmen. (Definieren Sie dazu einen neuen Parameter P9 = P1 P ). Wie gehen die Lichtlaufzeiten in den Lichtleiteren und die Signallaufzeiten in den Kabeln in die Berechnung ein? Vergleichen Sie den ermittelten Wert mit der nominellen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Szintillator (Brechungsindex n Szint 1.58). 4. Aufgabe Es soll nun die Zeit- und Ortsauflösung der Gesamtanordnung mit Höhenstrahlteilchen untersucht werden. Hierzu werden beide Detektoren direkt übereinander angeordnet (D2 auf Tisch über D1). Im ersten Teilversuch erfolgt die Auslese der Detektoren auf der gleichen Seite. Nehmen Sie dazu mit geeigneter Einstellung der Koinzidenzstufe die TDC-Differenz zwischen PM1 und PM3 auf ( P10 = P1 P ). Für den zweiten Teilversuch werden die Szintillatoren auf entgegengesetzten Seiten ausgelesen (PM1 und PM4, P11 = P1 P ). Mit dieser Meßanordnung wird Weg und effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Szintillator veranschaulicht. Aus der Breite (FWHM-Wert) des ersten Histogramms ist die Zeitauflösung des Detektorsystems zu ermitteln. Aus dem FWHM-Wert des zweiten Spektrums im Vergleich zur Breite des ersten Spektrums bestimme man die Ortsauflösung des Systems.

5 5. Aufgabe In diesem Versuch soll das Energieverlustspektrum kosmischer Myonen aufgenommen und die Intensität pro Fläche bestimmt werden. Für die Messung ist ebenfalls die Koinzidenzschaltung zu verwenden (Begründung! Überprüfen Sie die Zählraten für verschiedene Einstellungen!). Man nehme zunächst (Anordnung der Detektoren wie in Aufgabe 4) die ADC-Spektren von PM1 und PM3 sowie einen 2-dimensionalen Plot beider Parameter auf und erkläre deren Korrelation. Wie kann der Einfluß der Lichtabschwächung innerhalb des Szintillators berücksichtigt werden (Korrelation der ADC- und TDC-Werte von PM3)? Die beiden Detektoren werden nun gekreuzt aufeinander gelegt. Ermitteln Sie den Energieverlust der Myonen aus dem Peakmaximum des ADC-Spektrums von PM1 und vergleichen Sie diesen Wert mit dem Ergebnis aus Ihrer Vorbereitung. Wie groß ist die Intensität der kosmischen Strahlung? In einer weiteren Messung soll die elektromagnetische Komponente, die neben den Myonen auftritt, aus dem kosmischen Schauer abgetrennt werden. Legen Sie hierzu eine Bleischicht von 5 cm Dicke zwischen die Detektoren. Vergleichen Sie die Spektren mit und ohne Bleiabsorber (die effektiven Meßzeiten sollten 30 min nicht unterschreiten). 6. Aufgabe Zur Messung der Flugzeit von Höhenstrahlteilchen wird D2 nun auf der drehbaren Halterung montiert (Auslese beider Detektoren auf der gleichen Seite). Vergewissern Sie sich vor dem Start der Messungen, daß beide Detektoren gut befestigt sind! Man nehme zwei Sätze von TDC-Spektren auf, wobei bei der zweiten Messung durch Drehung der Halterung um 180 o (Vorsicht auf die Kabel!) Start- und Stoppdetektor miteinander vertauscht werden. Berechnen Sie aus den Zeitdifferenzen das mittlere β = v/c der Strahlungsteilchen. 7. Aufgabe Die letzte Messung besteht in der Untersuchung der Winkelabhängigkeit der Höhenstrahlung. Hierzu wird aus den TDC-Spektren die Intensität für verschiedene Einstellungen der Detektorhalterung ermittelt (θ = 0 o, 10 o, 20 o, 30 o, 40 o, 90 o ; Meßzeit jeweils 15 min). Man überprüfe die erwartete cos 2 θ-abhängigkeit der gemessenen Intensitäten.