Das Polarstern-Projekt
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- Matilde Beutel
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1 Das Polarstern-Projekt Die Untersuchung der Intensität kosmischer Teilchen in Abhängigkeit vom Breitengrad Carolin Schwerdt Technisches Seminar CosmicLab Intension und Motivation Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 2 1
2 Die Erforschung kosmischer Teilchen > Aktuelles Thema > Kontakt zur Grundlagenforschung > Förderung der Wissenschaftsverständlichkeit > Erwerb von Fachwissen und Kompetenzen (Erkenntnisgewinnung, Reflexion, Kommunikation) > Nachwuchsgewinnnung und förderung für naturwissenschaftlichtechnische Berufsfelder Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 3 Das Polarstern-Projekt Wie alles begann... Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 4 2
3 Das Polarstern-Projekt Schiff Richtung Zeitraum Mitfahrer Oden Südpol November März 2010 schwedische Begleitung Polarstern Südpol Oktober Mai 2011 Mike Hinfahrt bis Kapstadt Bob Pieterson (Fermilab) Rückfahrt ab Kapstadt Polarstern Nordpol Mai September 2011 Ohne Begleitung Polarstern Südpol Oktober 2011 Mai 2012 Achim Stössl Hinfahrt bis Kapstadt Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 5 Das Polarstern-Projekt > Oden (rote Linie): Helsingborg McMurdo Helsingborg > Polarstern (blaue Linie): Bremerhaven Capetown Neumayerstation Capetown Bremerhaven Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 6 3
4 Das Experiment Die Messung kosmischer Teilchen mit dem Szintillationszähler- Experiment Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 7 Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 8 4
5 Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 9 Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 10 5
6 Das Experiment HV HV PMT GP S DAQ- Karte USB- Barome ter Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 11 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment Der Detektor > beim Durchgang eines kosmischen Teilchens wird Detektormaterial angeregt und Szintillationslicht emittiert Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 12 6
7 Szintillator Szintillationslicht: > geladene Teilchen regt Atome im Szintillatormaterial an > bei Abregung wird Licht emittiert Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 13 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment Der Detektor > beim Durchgang eines kosmischen Teilchens wird Detektormaterial angeregt und Szintillationslicht emittiert > PMT registriert Licht (PMT über Fasern mit Szintillator verbunden) Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 14 7
8 Lichtleiter > nutzt den Effekt der Totalreflexion > eine Totalreflexion tritt ein, wenn Licht von einem optisch dichteren Medium (n 1 ) unter einem Winkel größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium (n 2 ) fällt > Grenzwinkel der Totalreflexion: Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 15 Der Photomultiplier > Photoeffekt wird genutzt (Einstein lieferte Erklärung) > Photon erzeugt an Photokathode ein Elektron, dieses wird im PMT vervielfacht und es entsteht eine messbare Spannung Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 16 8
9 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment Der Detektor > beim Durchgang eines kosmischen Teilchens wird Detektormaterial angeregt und Szintillationslicht emittiert > PMT registriert Licht (PMT über Fasern mit Szintillator verbunden) > PMT wandelt Info des schwachen Lichtsignals in ein elektronisches Signal um > aus einem optischen Signal wird ein elektronisches Signal Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 17 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment Die DAQ-Karte > DAQ-Karte verarbeitet elektronisches Signal & verknüpft es mit Zeitdaten + GPS-Koordinaten > jedes geladene Teilchen kann Szintillator anregen: Threshold einstellbar: damit lassen sich Ereignisse zu geringer Intensität rausfiltern (Rauschen) Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 18 9
10 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment Die DAQ-Karte Triggerbedingung: innerhalb von 200ns muss Signal in beiden Platten registriert werden mit einer Triggerbedingung können die kosmische Teilchen bestimmt werden, die aus einer Richtung den Erdboden erreichen 80% der geladenen Teilchen auf Meeresniveau sind Myonen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 19 Das Unsichtbare zählen Das Szintillationszähler-Experiment > kosmisches Teilchen regt Detektormaterial an > aus einem optischen Signal wird ein elektronisches Signal > DAQ-Karte verarbeitet elektronisches Signal & verknüpft es mit Zeitdaten + GPS- Koordinaten > Threshold + Koinzidenz einstellbar > Datenbearbeitung wird mit Computer möglich > Ratenmessungen (Teilchen pro Zeiteinheit) werden so möglich Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 20 10
11 Grundlagen zu den kosmischen Teilchen Wo kommen sie her? Haben sie Einfluss auf unser Leben? Wie kann man sie messen? Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 21 Astronomische Boten Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 22 11
12 Astronomische Boten und ihre Quellen > Sternenexplosionen & Überreste davon > Doppelsternsysteme > Pulsare > Aktive Galaktische Kerne (AGN) > Sonne Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 23 Astronomische Boten und ihre Quellen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 24 12
13 Der Sonnenwind > ca. eine Million Tonnen Materie verlassen pro Sekunde die Sonne > stetigen Strom an geladenen Teilchen expandiert in alle Richtungen und durchflutet das Sonnensystem Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 25 Das Erdmagnetfeld Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 26 13
14 Einfluss Sonnenwindes auf Erdmagnetfeld Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 27 Kosmische Strahlung primäre und sekundäre kosmische Strahlung Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 28 14
15 Bombardement aus dem All Proton > ca Teilchen pro Sekunde und Meter² erreichen äußere Erdatmosphäre > bis zu Sekundärteilchen je Primärteilchen entstehen in Atmosphäre > ca. 1 Teilchen pro Minute und Zentimeter² erreichen Erdboden Funkenkammer Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 29 Sekundäre kosmische Strahlung > bei der Kollision von Proton mit den Atomkern der Luft entstehen Pionen, Kaonen und Nukleonen > aus Zerfall von Pionen und Kaonen entstehen Photonen, Myonen und Neutrinos > 80% der geladenen Teilchen auf Meereshöhe sind Myonen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 30 15
16 Sekundäre kosmische Strahlung > bei der Kollision von Proton mit den Atomkern der Luft entstehen Pionen, Kaonen und Nukleonen > aus Zerfall von Pionen und Kaonen entstehen Photonen, Myonen und Neutrinos > 80% der geladenen Teilchen auf Meereshöhe sind Myonen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 31 Auswirkungen auf unser Leben Kosmische Teilchen > erzeugen Polarlichter. > haben eine ionisierende Wirkung. > können elektronische Systeme beeinflussen und zerstören. ( ) Kosmische Strahlenbelastung in 11km Höhe > verraten uns etwas über unser Universum. Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 32 16
17 Der geomagnetische Effekt Kosmische Strahlenbelastung in 11km Höhe Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 33 Das Polarstern-Projekt > Oden (rote Linie): Helsingborg McMurdo Helsingborg > Polarstern (blaue Linie): Bremerhaven Capetown Neumayerstation Capetown Bremerhaven Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 34 17
18 Wie gefährlich ist die kosmische Strahlung? Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 35 Der geomagnetische Effekt > Abnahme der Teilchenrate vom Pol zum Äquator Grund: Lorentzkraft: horizontale Komponente des magnetischen Flusses ist am Äquator am stärksten und nimmt zum Pol ab Teilchen niedriger Energie werden am stärksten am Äquator abgelenkt und zum Pol geleitet Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 36 18
19 Ergebnisse Was wurde gemessen? Konnte der Effekt nachgewiesen werden? Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 37 Datenanalyse 1. Untersuchung der gemessenen Signale in jedem PMT Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 38 19
20 Gemessene Signale in jedem PMT: Oden = 1.März 2010, McMurdo = 31.März 2010, Äquator Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 39 Gemessene Signale in jedem PMT: Polarstern = 26.Oktober 2010, Bremerhaven = 25.November 2010, Kapstadt Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 40 20
21 Gemessene Signale in jedem PMT: Oden S max ½S max Untersuchung der Pulsbreite eines Signals Δt Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 41 Gemessene Signale in jedem PMT: Polarstern S max ½S max Untersuchung der Pulsbreite eines Signals Δt Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 42 21
22 Gemessene Signale in jedem PMT: Oden Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 43 Gemessene Signale in jedem PMT: Oden Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 44 22
23 Datenanalyse 1. Untersuchung der gemessenen Signale in jedem PMT 2. Bestimmung der Myonenrate pro Stunde Triggerbedingung 3. Normierung der Myonenrate Myonenrate ist Abhängig vom Luftdruck 4. Bestimmung der Myonenrate pro Stunde in Abhängigkeit vom Breitengrad Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 45 Bestimmung der Myonenrate Oden Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 46 23
24 Bestimmung der Myonenrate Polarstern Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 47 Bestimmung der Myonenrate Polarstern Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 48 24
25 Datenanalyse 1. Untersuchung der gemessenen Signale in jedem PMT 2. Bestimmung der Myonenrate pro Stunde 3. Normierung der Myonenrate 4. Bestimmung der Myonenrate in Abhängigkeit vom Breitengrad 5. Vergleich Myonenrate mit Magnetfeldstärke in Abhängigkeit vom Breitengrad Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 49 Vergleich Myonenrate mit Magnetfeldstärke Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 50 25
26 Vergleich Myonenrate mit Magnetfeldstärke Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 51 Vergleich Myonenrate mit Magnetfeldstärke Oden: > Daten von schlechter Qualität, können nicht interpretiert werden Polarstern: > Daten sind von besserer Qualität > Für eine Interpretation auf Messwerte der Rückfahrt warten > Vergleich Ratenmessung mit Daten vom Neutronen-Monitor Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 52 26
27 CosmicLab Ausblick und weitere Aktivitäten Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 53 CosmicLab Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 54 27
28 Das Cosmic-Projekt > wissenschaftliche Koordination des Cosmic-Projektes liegt in Zeuthen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 55 Das Cosmic-Projekt > Zusammenschluss von 22 Instituten in Deutschland > Kontakt zur Teilchen- und Astroteilchenphysiker > Angebote für Jugendliche und Lehrkräfte > Verschiedene Stufen in Mitarbeit: Erleben, Vermitteln, Erforschen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 56 28
29 Weitere Informationen Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 57 Die Messung kosmischer Teilchen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Carolin Schwerdt Technisches Seminar Seite 58 29
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