Versuch Nr.3 Höhenstrahlung

Institut für Kernphysik der Universität zu Köln Praktikum M Versuch Nr.3 Höhenstrahlung Stand 8. Dezember 2010

INHALTSVERZEICHNIS 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Versuchsziel 2 3 Stichpunkte zur Vorbereitung 2 4 Verständnisfragen 3 5 Versuchsdurchführung 4 5.1 Vorbereitende Einstellungen.......................... 4 5.1.1 Gatezeiten................................ 4 5.1.2 Diskriminatorschwellen......................... 5 5.1.3 Delays.................................. 5 5.2 Winkelabhängigkeit der Koinzidenzrate und Ost-West-Eekt........ 6 5.3 Absorption der Kosmischen Strahlung..................... 8 5.4 Myonengeschwindigkeit............................. 8 6 Fotos des Versuchsaufbaus 11 7 Literatur 13 A Sicherheitshinweise 14

2 3 STICHPUNKTE ZUR VORBEREITUNG 1 Einleitung Erst vor ungefähr einhundert Jahren wurde entdeckt, dass die Erde ständig einer ionisierenden Strahlung extraterrestrischen Ursprungs ausgesetzt ist. Beim Durchqueren der Erdatmosphäre wird diese primäre kosmische Strahlung durch Wechselwirkungsprozesse stark verändert, so dass eine sekundäre Strahlung entsteht, welche auch auf Meereshöhe nachgewiesen werden kann und deren geladene Komponente hauptsächlich aus Myonen besteht. Zum Nachweis von geladenen Teilchen werden heute vielfach Szintillationsdetektoren verwendet. In diesem Versuch besteht das Szintillationsmaterial aus Bismut-Germanium-Oxid (BGO). Dieses Material kommt oft in der Forschung zum Einsatz, in Studentenpraktika werden sonst aber meist Plastikszintillatoren benutzt. 2 Versuchsziel In diesem Versuch sollen Sie sich mit der, in der Kern- und Teilchenphysik häug verwendeten, Koinzidenzmethode vertraut machen und gleichzeitig die dabei verwendete Messelektronik kennenlernen. Viele Schaltungen sollen von Ihnen eigenständig verkabelt (Dabei immer Hochspannungsversorgung abschalten!) und einige Einstellungen selbst vorgenommen werden. Dazu werden Ihnen die jeweiligen Schaltpläne und Hinweise zu den Geräteeinstellungen angegeben. Mit den eigentlichen Experimenten werden dann einige Eigenschaften der Höhenstrahlung untersucht. Zunächst soll die Winkelabhängigkeit der Intensität der Höhenstrahlung aufgenommen und der Ost-West-Eekt nachgewiesen werden (letzterer ist hierzulande allerdings sehr schwach). Ein weiterer Versuchsteil beschäftigt sich mit dem Durchdringungsvermögen der kosmischen Strahlung und insbesondere mit dem der Myonen. Im letzten Teil wird die Geschwindigkeit der Myonen bestimmt. Dazu müssen unter Anderem zwei Langzeitmessungen durchgeführt werden. Die erste kann am Ende des Praktikumstages gestartet werden. Am folgenden Tag sollte diese dann beendet und eine weitere Messung bis zum übernächsten Tag beginnen. An den beiden âzusatztagenâ ist es lediglich erforderlich, dass ein Mitglied Ihrer Gruppe, nach Absprache mit dem Betreuer, für maximal fünfzehn Minuten im Praktikumsraum tätig wird. Als Ausgleich für diesen âimmensenâ Mehraufwand fällt die Auswertung des Versuches im Vergleich mit manch anderem Versuch übersichtlicher aus (bei guter Vorbereitung). 3 Stichpunkte zur Vorbereitung Primäre und sekundäre kosmische Strahlung; Energiespektrum; Eigenschaften der Myonen; Winkelverteilung der kosmischen Strahlung; Ost-West-Eekt; Absorption von Myonen; Energieverlust in BGO; Koinzidenzmethode; Szintillatoren (speziell BGO); Lichtleiter; Photomultiplier; Verstärker; Diskriminator; Gategenerator; TAC; MCA.

3 4 Verständnisfragen 1. Wie wurde erstmals die Existenz einer ionisierenden Strahlung aus dem Kosmos nachgewiesen? 2. Woraus besteht die primäre kosmische Strahlung? 3. Wie entsteht die sekundäre kosmische Strahlung und woraus besteht sie? 4. Welche Elementarteilchen gibt es? 5. Warum schaen es die Myonen durch die ganze Atmosphäre ohne vorher zu zerfallen? 6. Wie bewegt sich ein geladenes Teilchen in einem homogenen Magnetfeld? 7. Wodurch entsteht der Ost-West-Eekt in der Teilchenintensität? 8. Wie funktioniert ein Szintillationsdetektor? 9. Wie funktioniert ein Photomultiplier? 10. Was bewirken Verstärker, Diskriminator, Gategenerator, Koinzidenzeinheit, TAC, MCA? Einige weitere Fragen benden sich im Text zur Versuchsdurchführung. Alle Fragen sollten in Ihrer Versuchsauswertung beantwortet werden. Ihr Betreuer wird Ihnen auf Anfrage einige der Fragen im Voraus nennen, diese sollten dann von Ihnen am Praktikumstag vor den Experimenten in Form eines Vortrages beantwortet werden können. Die restlichen Fragen können am Praktikumstag besprochen werden.

4 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 5 Versuchsdurchführung 5.1 Vorbereitende Einstellungen 5.1.1 Gatezeiten Zunächst müssen die Gatezeiten (meist Gatelängen genannt) an den Gategeneratoren eingestellt werden. Verschalten Sie dazu jeweils eine Detektor-Diskriminator-Einheit nach dem Schaltplan aus Abbildung 1. An den Detektoren und elektronischen Bauteilen sind farbliche Markierungen (Ampelfarben) zur besseren Orientierung angebracht. Abbildung 1: Schaltplan zur Einstellung der Gatezeiten Einstellungen und zu verwendende Anschlüsse: Hochspannungsversorgung: Ausgänge auf der Rückseite des Gerätes: von oben nach unten, Kanal 0 bis Kanal 3; Programmierfunktionen nden sich auf dem ausliegenden Geräte-Manual (Betreuer hilft) 1100 V einstellen Detektor: Mittlerer Anschluss: Hochspannungsversorgung (rote Kabel) Oberer Anschluss (Anode): zum Verstärker Verstärker: Ist markiert (in-out) Diskriminator: Eingang: in; Ausgang: neg Einstellungen: SCINT; CF

5.1 Vorbereitende Einstellungen 5 Gategenerator: Eingang: in; Ausgang: TTL zum Oszilloskop Beide Kippschalter nach unten Stellen Sie mittels der Stellschraube WIDTH an den Gategeneratoren für alle drei Detektorstränge jeweils eine Gatezeit von 50 ns ein. 5.1.2 Diskriminatorschwellen Als weitere vorbereitende Einstellung müssen nun Schwellen an den Diskriminatoren eingestellt werden. Frage 11: Warum müssen Schwellen eingestellt werden? Die Verschaltung entspricht dem in Abbildung 1 dargestellten Schaltplan, nur das jetzt das Oszilloskop durch den Zähler ersetzt wird. Nehmen Sie die Anzahl der registrierten Ereignisse pro 60 Sekunden in Abhängigkeit von der Schwelleneinstellung in Schritten von 0,2 Skalenteilen in einem Bereich von 0,4-5,0 Skalenteilen für den Detektor 1 (rot) auf. Um genug Counts zu erlangen, wird die Breite des Signals in diesem Versuchsteil auf ca. 100 ns eingestellt. Frage 12: Wie und warum kann aus der graphischen Auftragung der Messergebnisse der einzustellende Schwellenwert bestimmt werden? Die Diagramme der Messreihen zu den beiden anderen Detektor-Diskriminator-Einheiten hängen im Praktikumsraum aus, die benötigten Schwellenwerte können dort direkt abgelesen werden. Frage 13: Auf welche Art könnten die Schwellenwerte noch ermittelt werden? 5.1.3 Delays über die Gategeneratoren sind nun noch eventuell nötige Delays einzustellen. Gleichzeitige Eingangssignale an zwei Verstärkern werden hierzu dadurch erzeugt, dass das Signal eines Detektors gesplittet und auf beide Verstärker gegeben wird. Den zugehörigen Schaltplan zeigt Abbildung 2. Einstellungen und zu verwendende Anschlüsse: Wie oben und zusätzlich: Diskriminatoren:

6 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Abbildung 2: Schaltplan zur Einstellung der Delays Ermittelte Schwellenwerte aus 5.1.2 einstellen Gategeneratoren: Ausgang: TTL Die beiden Ausgangssignale der Gategeneratoren werden auf das Oszilloskop gegeben und mittels der Stellschrauben DELAY an den Gategeneratoren derart aufeinander abgestimmt, dass koinzidente Ausgangssignale vorliegen. Eine Darstellung zweier koinzidenter Ausgangssignale bendet sich im Praktikumsraum. Bei der Bedienung des Oszilloskops kann Ihnen der Betreuer behilich sein. Stimmen Sie so die drei Detektor-Stränge aufeinander ab. Frage 14: Warum ist diese Abstimmung überhaupt nötig? Welchen Einuss könnte die Gatelänge auf die Koinzidenzrate haben? 5.2 Winkelabhängigkeit der Koinzidenzrate und Ost-West-Eekt Abbildung 3 zeigt den Schaltplan zur Bestimmung der Winkelabhängigkeit nach der Dreifach- Koinzidenzmethode, in diesem Versuch soll aber nur eine Koinzidenz zwischen den beiden oberen Detektoren verwendet werden. Verändern Sie den Schaltplan dementsprechend. Einstellungen und zu verwendende Anschlüsse: Wie oben und zusätzlich: Koinzidenzeinheit: Eingänge: 1 und 2 Ausgang: 1

5.2 Winkelabhängigkeit der Koinzidenzrate und Ost-West-Eekt 7 Abbildung 3: Schaltplan zur Messung von Dreifach-Koinzidenzen Nehmen Sie nun in Schritten von 10 die Anzahl der Zählereignisse für einen Bereich von 40 Ost bis 40 West auf, indem Sie abwechselnd eine Messung in östlicher und westlicher Richtung durchführen (Frage 15: Warum abwechselnd Ost-West?). Die einzelnen Messzeiten sollten dabei nicht unter 10 Minuten liegen. Frage 16: Warum verwenden wir nur die Zweifach-Koinzidenz? In der Auswertung soll aus den ermittelten Werten durch Antten der entsprechenden Funktion der Wert der Potenz bestimmt werden (Frage 17: Welcher Funktion sollte die Abhängigkeit folgen und welchen Wert für die Potenz erwarten Sie?). Zusätzlich ist noch der Ost-West-Asymmetriekoezient ɛ k nach folgender Formel zu bestimmen: ɛ k = ( ( ) ( )) I Θ W i I Θ E i i i (I. (1) (ΘW i ) + I (Θ E i )) Dabei ist I ( ) Θ W i die Intensität bezogen auf den Winkel Θ W i in Westrichtung und I ( Θ E i die Intensität bezogen auf den Winkel Θ E i in Ostrichtung. ) Suchen Sie auch mögliche Gründe für ein Abweichen vom erwarteten Wert aus der Literatur.

8 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 5.3 Absorption der Kosmischen Strahlung Abbildung 4: Schematischer Versuchsaufbau zur Aufnahme der Absorptionskurve Zur Untersuchung des Durchdringungsvermögens der Myonen soll die Anzahl der Zweifach- Koinzidenzen mit den unteren beiden Detektoren bei unterschiedlich dicken Absorptionsschichten beobachtet werden (Abbildung 4). Entfernen Sie dazu den oberen Detektor aus dem Kipprahmen (Achtung: Rahmen vorher arretieren; BGO ist stoãempndlich, Vorsicht beim Ablegen). Zur Auage der Bleiplatten steht ein passgenaues Sperrholzbrett bereit (Bleiplatten nicht direkt auf den Detektor legen), legen Sie die dicken Bleiplatten so auf, dass der untere Detektor abgedeckt ist und messen Sie jeweils 5 Minuten lang bei Absorptionsschichtdicken von Null bis 15 Bleiplatten. Die Auswertung kann bei diesem Versuchsteil rein qualitativer Natur sein. 5.4 Myonengeschwindigkeit Mit dem vorliegenden Versuchsaufbau ist es auch möglich, die Geschwindigkeit der Myonen über deren Laufzeit zwischen zwei Detektoren zu bestimmen. Dazu müssen vier Zeitspektren aufgenommen werden. Bringen Sie zuvor die Detektoren in die richtigen Positionen (Detektor 2 in die Obere; Detektor 3 in die Untere; die mittlere Position bleibt frei). Vorsicht beim Wechseln der Detektoren! Zunächst sind zwei Spektren zur Eichung erforderlich. Hierfür wird wieder das Ausgangssignal eines Detektors auf zwei verschiedene Verstärker gegeben (Vergleiche den Schaltplan in Abbildung 5). Einstellungen und zu verwendende Anschlüsse: Hochspannungsversorgung, Detektoren und Verstärker wie vorher Diskriminatoren:

5.4 Myonengeschwindigkeit 9 Abbildung 5: Schaltplan für die Zeiteichungen (Spektren 1 und 2) TAC: MCA: Ausgang: neg Einstellungen: EXT (kurze Kabeldelays anschlieãen); CF Eingänge: Start bzw. Stopp Ausgang: TPHC Einstellungen: range 0.05, multiplier 1 Einstellungen: ADC and coarse gain 1 Einstellungen für die Spektren: Minimale Kanalanzahl wählen Untere Schwelle: 11 Am Delay können Zeiten von (0,5 â 64) ns eingestellt werden. Nehmen Sie zwei Eichspektren über jeweils ca. 30 Minuten auf, wobei die Kanäle gut ausgenutzt werden sollten. Eine Bestimmung der Kanalnummer und des zugehörigen Fehlers ist direkt mit dem Programm möglich. Die Spektren sollten aber trotzdem zusätzlich gespeichert und dann der Versuchsauswertung beigefügt werden. Die beiden weiteren Spektren müssen über eine längere Zeit nach den beiden Schaltplänen aus Abbildung 6 bzw. 7 aufgenommen werden (Welche Delayeinstellung ist jetzt sinnvoll?). Frage 18: Warum sind die langen Zeiten notwendig?

10 5 VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Abbildung 6: Schaltplan für das Zeitsprektrum 3 Die Aufnahme von Spektrum 3 sollte am Ende des eigentlichen Praktikumstages gestartet werden. Am folgenden Tag kann dieses Spektrum dann ausgewertet und die Aufnahme von Spektrum 4 begonnen werden. Aus den Ergebnissen kann die Laufzeit t µ des Myons zwischen den beiden Detektoren nach folgender Formel bestimmt werden: t µ = t D1 t D2 2 K 3 K 4 K 1 K 2 (2) Dabei ist t Di die gewählte Delayeinstellung des jeweiligen Spektrums i und K i die Kanalnummer des Maxiums des iten Spektrums. Frage 19: Weswegen ist die Eichung nicht korrekt und warum macht das hier nichts? Frage 20: Wie leitet man (2) her? Bestimmen Sie aus der Laufzeit t µ die Geschwindigkeit der Myonen! AnschlieÃend entfernen Sie bitte wieder alle Kabel und bringen die Detektoren in die ursprünglichen Positionen zurück (Detektor 1 oben; Detektor 2 Mitte; Detektor 3 unten). Frage 21: Was ist an der Karikatur auf dem Deckblatt der Versuchsanleitung im physikalischen Sinn falsch?

11 Abbildung 7: Schaltplan für das Zeitspektrum 4 6 Fotos des Versuchsaufbaus Abbildung 8: Kipprahmen mit eigelegten Detektoren

12 6 FOTOS DES VERSUCHSAUFBAUS Abbildung 9: Detektor: der linke, konisch zulaufende Teil enthãlt das Detektionsmaterial, rechts schlieãen sich Lichtleiter und Photomultiplier an Abbildung 10: Messelektronik: untere Reihe (von links nach rechts): VerstÃrker, 3 Diskriminatoren, Gategeneratoren, Koinzidenzstufe, ZÃhler; obere Reihe (von links nach rechts): Hochspannungsversorgung, Delayeinheit, TAC.

13 7 Literatur Die Angaben in den geschweiften Klammern geben die Seiten an, welche als Kopiervorlagen beim Betreuer erhältlich sind. Viele Informationen sind zudem auch im Internet zu nden. [BER 02] Allkofer, O. C.; Introduction to Cosmic Radiation; München; Verlag Karl Thiemig; 1975; S. 156 168 [ALL 75] Berger, C.; Elementarteilchenphysik; Berlin, Heidelberg; Springer-Verlag; 2002; S. 20 26 [DEM 98] Demtröder, W.; Experimentalphysik; Band 4; Berlin, Heidelberg; Springer-Verlag; 1998; S. 169 171 und S. 177 179 [GRU 00] Grupen, C.; Astroteilchenphysik; Braunschweig, Wiesbaden; Verlag Vieweg; 2000; S. 1 15 ; S. 62 68 und S. 108 122 [GRU 96] Grupen, C.; Particle Detectors; Cambridge, New York, Melbourne; Press Syndicate of the University of Cambridge; 1996; S. 171 181 [HEI 53] Heisenberg, W. (Hrsg.); Kosmische Strahlung; zweite Auage; Berlin, Göttingen, Heidelberg; Springer-Verlag; 1953; S. 1 8

14 A SICHERHEITSHINWEISE [KLA 95] [LEO 94] [SCHP 56] Klapdor-Kleingrothaus, H.-V.; Staudt, A.; Teilchenphysik ohne Beschleuniger; Stuttgart; Verlag Vieweg Teubner; 1995; S. 9 13; S. 82 101 und S. 456 459 Leo, W. R.; Techniquess for Nuclear and Particle Physics Experiments; 2. Auage; New York, Berlin, Heidelberg; Springer- Verlag; 1994; S. 157 175 und S. 310 313 Schpolski, E. W.; Atomphysik; Teil II; 3. Auage; Berlin; VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften; 1956; S. 562 578 A Sicherheitshinweise

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16 A SICHERHEITSHINWEISE

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18 A SICHERHEITSHINWEISE