Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung Präsentation für das Seminar Kernstruktur und Nukleare Astrophysik Vojtěch Horný TU Darmstadt, TTU Prag 31. Januar 2013 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 1 / 42
Inhaltverzeichnis der Präsentation 1 Einleitung Motivation 2 Polarisation elektromagnetischer Strahlung Jonsche Matrix Stokes-Parameter 3 Polarimetrie Klassische Polarimetrie γ-polarimetrie Compton-Polarimetrie 4 Vorstellung von DAGATA-Polarimeter 5 Zusammenfassung Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 2 / 42
Motivation für Messung der Polarisation 1 Feststellung der Parität eines der beteiligten Zustände elektrischer Dipolübergang E 1 : 1 magnetischer Dipolübergang M 1 : 1 + Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 3 / 42
Motivation für Messung der Polarisation 2 Messung der Stärke der PDR-Resonanz Alikhani, NIM A 675 (2012) Entscheidung zwischen E 1 und M 1 im Bereich von PDR E 1 : PDR M 1 : nicht zu PDR gehörende Stärke hochenergetische Übergänge, kleine Effizienz des Detektors Grund für Aufbau des DAGATA-Experiments Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 4 / 42
Polarisation elektromagnetischer Strahlung Polarisierte vs. unpolarisierte Welle Elliptische Polarisation lineare Welle zirkular-polarisierte Welle Plan 1 Jonsche Matrix 2 Stokes-Parameter 3 Stokes-Vierervektor Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 5 / 42
Lineare Polarisation Der elektrische Feldvektor oszilliert immer in der gleichen Ebene. Britannica Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 6 / 42
Zirkulare Polarisation Der elektrische Feldvektor bildet eine Kreisspirale Britannica Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 7 / 42
Jonsche Matrix Bei der Ausbreitungsrichtung in z-richtung Intensität E = E x + E y = E 0x e x e iϕx + E 0y e y e iϕy (1) Jonsche Matrix wird definiert als ( ) Jxx J J = xy = I = E E = E x E x + E y E y (2) J yx J yy ( Ex Ex E x Ey E y Ex E y Ey ) (3) und es gilt I = Spur(J) (4) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 8 / 42
Interessante Eigenschaften der Jonschen Matrix Elemente auf der Nebendiagonale sind konjugiert zueinander J xy = J yx Die Aufteilung in einen natürlichen und einen monochromatischen Teil Definition des Polarisationgrades P = J = J n + J m P = I pol = Spur(Jm ) I tot Spur(J) 1 4 det J (J xx + J yy ) 2 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 9 / 42
Stokes-Parameter Definition Stokes-Parameter sind physikalisch messbare Größen. Sie charakterisieren vollständig eine elektromagnetische Welle. I = 1 = Ψ 1 Ψ dτ (5) P 1 = σ z = Ψ σ z Ψ dτ (6) P 2 = σ x = Ψ σ x Ψ dτ (7) P 3 = σ y = Ψ σ y Ψ dτ (8) σ z = ( 1 0 0 1 ) σ x = ( 0 1 1 0 ) σ y = ( 0 i i 0 ) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 10 / 42
Stokes-Parameter Physikalische Bedeutung Physikalische Bedeutung der Stokes-Parameter I P 1 P 2 P 3 Intensität des Strahls Grad der linearen Polarisation des sich in z-richtung ausbreitenden Strahls Grad der linearen Polarisation um π/4 nach rechts gedreht Grad der zirkularen Polarisation Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 11 / 42
Stokes-Vierervektor Definition Stokes-Vierervektor ( I P ) = I P 1 P 2 P 3 (9) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 12 / 42
Stokes-Vierervektor Eigenschaften Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 13 / 42
Stokes-Parameter Grafische Illustrierung Stokes-Parameter in der Poincaré-Kugel Macháček, I., Polarizační stav optické vlny, VUT Brno, Thesis, 2008 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 14 / 42
Polarimetrie als Experimentalmethode Polarimetrie Polarimetrie ist eine Experimentalmethode, die den Effekt von optischer Aktivität von einigen Materialien ausnutzt. Der Schwerpunkt liegt in der Drehung von linear-polarisiertem Licht. Illustrationbild, http://analytik.pharmaziestudenten-hd.de/polarimetrie/polarimetrie/theorie_polarimetrie.html, 21. Januar 2013 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 15 / 42
Klassische Polarimetrie Optische Aktivität Drehung der Ebene von linear-polarisiertem Licht meistens verursacht durch die Präsenz von einem chiralen Kohlenstoff in den Molekülen der Stoffe Winkel von Drehung proportional zur Konzentration des aktiven Stoffes α = [α] t λ cl benutzt in analytischer Chemie, Zuckerindustrie, Pharmazie, Biologie Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 16 / 42
γ-polarimetrie γ-übergänge Man unterscheidet zwischen elektrischen und magnetischen Charakter der Multipolstrahlung. Es gilt { π x π f ( 1) L + für elektrische Strahlung = (10) für magnetische Strahlung Das kann benutzt werden, um die unbekannte Parität von z.b. des Endzustands zu bestimmen. Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 17 / 42
γ-polarimetrie Intensitätverteilung der Dipol- und Quadrupol-Strahlung Alikhani, B., TUD Dissertation, 2012 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 18 / 42
γ-polarimetrie γ-γ Winkelkorrelation γγ-kaskade ORTEC, Experiment 13 Alikhani, B., TUD Dissertation, 2012 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 19 / 42
γ-polarimetrie Paritätsbestimmung durch linear polarisierte Photonen im Eingangskanal HIγS-Polarimeter (High Intensity γ-ray Source) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 20 / 42
γ-polarimetrie HIγS Beobachtete Photon-Spektren in der Ebene der Polarisation und in der dazu senkrechten Ebene. Isotop 138 Ba, Target von BaNO 3. Pietralla, N., Berant, Z.; PRL, 2002 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 21 / 42
Compton-Polarimetrie Compton-Streuung Inelastische Interaktion Photon-Elektron Arthur Holly Compton, 1923 Illustrationbild, cojeco.cz Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 22 / 42
Compton-Polarimetrie Wichtige Größen Differentieller Wirkungsquerschnitt des Compton-Effekts wird durch die Klein-Nishina Formel 1 beschrieben. wobei dσ pol dω (θ, ϕ) = 1 2 r2 0 E γ = ( E γ E γ ) 2 [ E γ E γ + E γ E γ E γ ] 2 sin 2 θ cos 2 ϕ, (11) 1 + Eγ m ec 2 (1 cos θ). (12) Hiermit kann die Form von Comptonkontinuum erklärt werden. 1 hier in einer einfacheren Version für den Fall der linearen Polarisation Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 23 / 42
Compton-Polarimetrie Sensitivität des Compton-Effekts auf Polarisation Krane, K.S.; Introductory Nuclear Physics, ISBN 0-471-80553-X Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 24 / 42
Compton-Polarimetrie Wichtige Größen Analysierstärke des Compton-Effekts Σ CE (E γ,θ ) = E γ E γ sin 2 θ + Eγ E γ sin2 θ (13) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 25 / 42
Compton-Polarimetrie Analysierstärke des Compton-Effekts Alikhani, NIM A 675 (2012) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 26 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Drei Detektoren Alikhani, B., TUD Dissertation, 2012 Warum ist der Streuer ein Detektor? Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 27 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Drei Detektoren Alikhani, B., TUD Dissertation, 2012 Warum ist der Streuer ein Detektor? Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 27 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Warum ist der Streuer ein Detektor? beide registrieren gleichzeitig ein Ereignis Koinzidenz in dem Streuer har ein Compton-Ereignis stattgefunden in dem Absorber wird Photo-Effekt beobachtet wenn wir diese zwei Energien zusammenzählen, haben wir die Energie des ursprünglichen Photons Warum ist der Winkel α=90? beste Analysierstärke des Compton-Effekts Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 28 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Warum ist der Streuer ein Detektor? beide registrieren gleichzeitig ein Ereignis Koinzidenz in dem Streuer har ein Compton-Ereignis stattgefunden in dem Absorber wird Photo-Effekt beobachtet wenn wir diese zwei Energien zusammenzählen, haben wir die Energie des ursprünglichen Photons Warum ist der Winkel α=90? beste Analysierstärke des Compton-Effekts Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 28 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Warum ist der Streuer ein Detektor? beide registrieren gleichzeitig ein Ereignis Koinzidenz in dem Streuer har ein Compton-Ereignis stattgefunden in dem Absorber wird Photo-Effekt beobachtet wenn wir diese zwei Energien zusammenzählen, haben wir die Energie des ursprünglichen Photons Warum ist der Winkel α=90? beste Analysierstärke des Compton-Effekts Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 28 / 42
Compton-Polarimetrie Herkömmliche Compton-Polarimeter Was charakterisiert die Güte meines Polarimeters? Kampf zwischen Sensitivität und Effizienz breiteres Fenster von Absorber mehr Photonen detektiert größerer Teil von Photonen mit anderen Polarisationen größerer Fehler Figure-of-Merit eines Detektors Größe, die die Senstivität und die Effizienz sinnvoll verbindet je größer Figure-of-Merit ist, umso weniger Messzeit wird benötigt, um eine Polarisation mit der gewünschten Genauigkeit zu bestimmen. Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 29 / 42
Compton-Polarimetrie Figure-of-Merit eines Compton-Polarimeters Absolute Koinzidenz-Effizienz ε abs coinc wird definiert als ε abs coinc = Anzahl von richtig detektierten Photonen totale Anzahl von ausgestrahlten Photonen. (14) Q ist eine Polarisationssensitivität, Figure-of-Merit wird definiert als F M = ε abs coincq 2. (15) Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 30 / 42
Weitere Gedanken Wie kann man Figure-of-Merit erhöhen? viele kleine Absorber nehmen und diese nebeneinander bauen das ist der Gedanke von DAGATA segmentierte Detektoren benutzen Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 31 / 42
Segmentierte Detektoren Prinzip Gleichzeitig wird in zwei unterschiedlichen Segmenten beobachtet deponierte Energie von Compton-Streuung und deponierte Energie von Photoeffekt Zusammen müssen beide γ-energie ergeben. Vorteile Von der Kenntis der Position des Segments kann Winkel der Compton-Streuung erfahren werden. Kontinuierliches Spektrum in allen Winkeln früher nur in festen Winkeln Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 32 / 42
Segmentierte Detektoren Beispiel Detektor AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) Alikhani, NIM A 675 (2012) Größere Figure-of-Merit, großer Schritt meistens bei den höhen Energien. Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 33 / 42
AGATA AGATA is ein Detektor mit 36 Segmenten. Alikhani, B., Aufbau und Inbetriebnahme des DAGATA-Polarimeters, TUD Dissertation, 2012 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 34 / 42
Segmentierte Detektoren Weitere Verbesserungen γ-wechselwirkungspunkt bis jetzt mit dem Schwerpunkt des Segments gerechnet das muss nicht so genau sein Pulsformanalyse (PSA) erhöht die Qalität der Information Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 35 / 42
DHIPS Darmstadt High Intensity Photon Setup http://www.ikp.tu-darmstadt.de/pietralla/norbertpietralla/forschung_wl_ptra/experimentierplaetze/dhips/ index.de.jsp, 21. Januar 2013 Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 36 / 42
DHIPS mit DAGATA Vorteile solcher Verbindung bis jetzt kann man nur zwischen Dipol oder Qaudrupol unterscheiden mit DAGATA schon M 1 und E 1 Übergänge unterscheidbar bis jetzt kann man Winkelverteilung messen, aber nur mit 2 Punkten mit DAGATA kontinuirliches Spektrum Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 37 / 42
DAGATA-Detektor DAGATA = DArmstadt GAmma-ray Tracking Assembly Vojte ch Horny (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 38 / 42
DAGATA-Detektor DAGATA = DArmstadt GAmma-ray Tracking Assembly Vojte ch Horny (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 39 / 42
Inspiration für Zukunft Aufbau von DAGATA zwei andere Detektoren implementieren die Kalibrationmessung mit diesem Triple-Detektor wiederholen diesen Detektor mit NRF Messungen an DHIPS verbinden es wird erwartet, dass Figure-of-Merit und auch Polarisationssensitivität viel verbessert werden können Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 40 / 42
Zusammenfassung Repetitio mater studiorum 1 Polarisation ist eine der wichtigen Eigenschaften der EM-Strahlung. Sie kann mit Stokes-Formalismus beschrieben werden. 2 Polarimetrie ist eine experimentelle Methode, die viel benutzt wird. 3 Compton-Streuung und Compton-Polarimetrie HIγS Herkömmliche Compton-Polarimeter Segmentierte Detektoren 4 Experimente und Messen an der TU Darmstadt DHIPS und Verbindung mit DAGATA Vojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 41 / 42
Danke für eure Aufmerksamkeit Vojtěch Horný Lehrstuhl für physikalische Elektronik Fakultät für Kernforschung und physikalisches Engineering Tschechische Technische Univesität in Prag vojtech.horny@atlas.cz kfe.fjfi.cvut.cz/~horny Prezentation online kfe.fjfi.cvut.cz/~horny/erasmus/polarimetrie.pdf ojtěch Horný (TU Darmstadt, TTU Prag)Messung der linearen Polarisation von γ-strahlung 31. Januar 2013 42 / 42