Cherenkov - Detektoren Ein Vortrag von Jan München.

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Cherenkov - Detektoren Ein Vortrag von Jan München

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Cherenkov - Detektoren

Ein Vortrag von

Jan München

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Übersicht

Historie Cherenkov-Strahlung Cherenkov-Detektoren Anwendungen

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Pierre und Mary Curie um 1900

• Pierre und Mary Curie studierten die radioaktive emission, als sie diesen Strahlungs-Typen endeckten.

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Mallet 1926

• Ein erster Versuch dieses Phänomen zu verstehen

• Licht wird von zahlreichen transparenten Medien emittiert, wenn sie sich nahe bei radioaktiven Quellen befinden

• Das Spektrum der Strahlung ist kontinuierlich

• Mallet war nicht in der Lage die Ursache der Strahlung zu finden

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Pavel A. Cherenkov

• P.A. Cherenkov wurde 1904 in Voronez geboren

• 1940 Doktor in Physico-Mathematical Sciences

• 1953 Professor in Experimental Physik

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Pavel A. Cherenkov

• 1934 hat er für S.I. Vavilov gearbeitet

• Er beobachtete die Emission von blauem Licht, welches durch radioaktiven Beschuss von Wasser hervorgerufen wurde

• 1958 zusammen mit Professor Frank und Akademiker Tamm Nobelpreis in Physik

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Frank und Tamm

• Prof. Frank entwickelte eine Theorie, auf den Grundlagen der klassischen Elektrodynamik

• Beide erklärten die Einzelheiten des Phänomens

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Nobelpreis in Physik

Pavel A. Cherenkov

Prof. Frank Akademiker Tamm

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Cherenkov-Strahlung / Übersicht

• Wie entsteht Cherenkov-Strahlung?

• Der Cherenkov-Winkel

• Intensität der abgestrahlten Strahlung

• Das Spektrum der Cherenkov-Strahlung

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Wie entsteht Cherenkov-Strahlung?

Ein geladenes Teilchen strahlt immer dann Licht ab, wenn es in Materie schneller ist als Licht in dieser Materie.

Die Emission von Cerenkov-Licht setzt also erst bei einer Teilchengeschwindigkeitvon = 1/n ein.

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Beschreibung der Cherenkov-Strahlung

Für die Grenzenergie ergibt sich:

Beispiel:

Radiatormedium: AerogelFür einen Brechungsindex von n = 1.015 ist thres = 5.84

3,5 GeV Pions: 3,5 GeV Protons:

In diesem Fall produzieren also nur die Pionen Cherenkov-Licht!

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Der Cherenkov-Winkel Der Cherenkov Winkel gibt den halben Öffnungswinkel des

emittierten Lichtkegels an.

Aus den Maxwell-Gleichungen ergibt sich folgende Formel, die die Abstrahlung beschreibt:

Für ergibt sich für den Maximalen Winkel:

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Der Cherenkov-Winkel

Der Cherenkov-Winkel wird zB. mit einem DIRC-Zähler gemessen. Als Ergebnis erhält man zB. die Seperation von Pion und Proton.

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Intensität der abgestrahlten Strahlung

Für n = n() = n0 ergibt sich für folgenden Wellenlängenbereich:

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Intensität der abgestrahlten Strahlung

• Voraussetzung für den Teilchennachweis mit C-Strahlung ist, dass die angeregten Atome kein Szintillationslicht emittieren

• Eine Mindestanzahl von emittierten C-Photonen ist Vorraussetzung für eine -Messung eines geladenen Teilchens

• C-Photonen werden statistisch emittiert

• Fluktuationen können mit der Poisson-Statistik beschrieben werden

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Intensität der abgestrahlten Strahlung

Die Wahrscheinlichkeit, kein Cherenkov-Photon nachzuweisen, wird durch folgende Formel beschrieben:

Nachweiswahrscheinlichkeit für ein Cherenkov-Photon:

Relative Zahl der Photonen als Funktion der Teilchenenergie

n = /max Nn

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Typische Werte

n c dN/dx th*th

H2 1 + 0,14*10-3 0,96° 0,3259,8

N2 1 + 0,3*10-3 1,4° 0,740,8

Freon 13 1 + 0,72*10-3 2,2° 1,7 26,3

Plexiglas 1,49 47,8° 6300,91

Aerogel 1,005 …1,05 11,4° … 17,8° 45 … 107 3 … 5

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Cherenkov-Winkel gegen Teilchenimpuls

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Das Spektrum der Cherenkov-Strahlung

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50 % Lichtgeschwindigkeit im Medium

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90 % Lichtgeschwindigkeit im Medium

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Schneller als Lichtgeschwindigkeit im Medium

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Analogon zum Cherenkov-Licht, der „Sonic Boom“

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Cherenkov-Licht

• Nur von geladenen Teilchen erzeugt• Schneller als Licht konstruktive Interferenz

• Langsamer a. Licht destruktive Interferenz

• Cherenkov-Strahlung ist polarisiert

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Cherenkov-Detektoren / Übersicht

• Schwellen-Cherenkov-Zähler

• Differentieller Cherenkov-Zähler (DISC)

• Abbildender Cherenkov-Zähler (DIRC)

• Ring-Imaging-Cherenkov-Hodoscope (RICH)

• Fokussierender Cherenkov-Zähler

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Schwellen-Cherenkov-Zähler

• Mehrere Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes

• Cherenkov Licht wird bei verschiedenen Teilchen nicht in jedem Material erzeugt

• Dadurch Unterscheidbarkeit zwischen Teilchen

• In Kombination mit einer Impulsmessung im Magnetfeld, kann ein solcher Detektor zur Geschwindigkeits- und somit zur Massenbestimmung verwendet werden

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Beispiel 1

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Schwellen-Cherenkov-ZählerProbleme beim Schwellen-Zähler sind:

- -Elektronen, erzeugt durch Teilchen mit < th, können leichtes Teilchen vortäuschen

- Szintillationslicht

Das Verhalten am Schwellenbereich ist besonders wichtig.

Durch Szintillierendes Material auf der Kathode wird die effektive Zahlder Photoelektronen erhöht. Man erreicht dadurch:

- Hohe Gesamtnachweiswahrscheinlichkeit- Scharfer Anstieg der Nachweiswahrscheinlichkeit im

Schwellenbereich

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Differentieller Cherenkov-Zähler (DISC)

• Beim differentiellen Cherenkov-Zähler wird die Tatsache ausgenutzt, dass für Teilchen mit gegebenem Impuls der Cherenkov-Winkel ein Maß für die Teilchengeschwindigkeit ist

• Richtung und Impuls des Primärteilchens müssen bekannt sein

• Der skizzierte Zähler kann also nur im Primärstrahl eingesetzt werden

• Kreisförmige Blende• Ortsfeste Photomultiplier

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Auflösung (DISC)

Erreichbare Auflösung eines DISC-Zählers:

Die Auflösung wird durch folgende Effekte beeinflusst:

- chromatische Fehler- optische Fehler- geometrische Fehler

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Zeitsignal (DISC)Ein DISC-Zähler liefert ein sehr gut definiertes Zeitsignal.

Die verschiedenen Öffnungswinkel wegen der Dispersion n = n()

d sei der Abstand des Detektors von der Teilchenbahn. Es ergibt sich für t:

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Beispiel 2

Ar-Gas

(4 eV) = 1.341° (8 eV) = 1.496°

d = 1m

t = 9*10-12s tph = 10-10s

Für den Fall das man genügend Licht erzeugt, liefert der Cherenkov-Zähler also ein hervorragendes Zeitsignal. Einschränkung nur durch

die

Zeitauflösung des Photomultipliers tph.

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Abbildender Cherenkov-Zähler (DIRC)

• Detection of Internally Reflected Cerenkov light

• Das in Quarzglas erzeugte Cherenkov Licht wird durch Totalreflektion im Radiatormedium zu Nachweisgeräten geleitet DIRC-Zähler (schematisch)

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Event Screen eines DIRC-Zählers

• Je nach Auftreffwinkel der Teilchenspuren auf dem Radiator variieren die in der Detektorebene abgebildeten Kurven des C-Lichtes

• Aufgrund der Kurvenform, der Photonenlaufzeit und der Intensität des Lichtes, kann auf die Teilchenmasse geschlossen werden

Abgebildete Cherenkov-Kegel auf auf einer zylindrischen Detektorflächea) d = 60° Azimuthalwinkel 90°

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Zahl der Photoelektronen (DIRC)

d = Dicke des Radiators in radialer Richtung (1 cm - 10 cm)N0 = Qualitätsfaktor des C-Lichtes

C = C-Winkeld = Winkel zwischen Teilchenspur und Normaler auf dem Radiator = totale Licht-Sammel-Effizienz

ist abhängig von der:

- geometrischen Effizienz des Lichttransportes (Abhängig von d und vom Azimuthalwinkel)- Abdeckung der Detektorebene durch sensitive Photomultiplierfläche

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Ring-Imaging-Cherenkov-Hodoscope (RICH)

• Anstelle von einer Kreisförmigen Blende und ortsfesten Photomultipliern wie beim DISC-Zähler tritt ein aktives Element

• zB. Vieldrahtproportionalkammer

• Diese wird mit einem geeignetem Aktivator (ENA, TMAE) sensitiv auf UV-Photonen gemacht

• Gemessen wird der Radius r• Ist für in der nähe der

Schwelle ein Maß für die Geschwindigkeit

• Der heute am meisten eingesetzte Cherenkov-Zähler

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Auflösung (RICH)

Man erhält für N nachgewiesene Photonen folgende Formel:

mit

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Impuls (RICH)Bis zu wechem Impuls kann man mit einem RICH-Zähler Teilchen trennen?Um dies zu überprüfen, setzten wir folgendermaßen an:

Geschwindigkeitsunterschied:

Setzt man nun als Zahl der gefordeten Standartabweichungen, erhält man, für den Maximalen Impuls bei dem Teilchen noch getrennt werden können, folgende Formel:

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Event Display eines RICH

Nachweis zweier Teilchen die den HERA-B RICH durchlaufen

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Event Screens eines RICH

Cherenkov Ring eines Elektrons aus einem Myon Zerfall. Das Myon entstand durch ein Myon-Neutrino

Cherenkov Ring eines Myons.Das Myon entstand durch einMyon-Neutrino

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Ring Radien

• Ring Imaging Cherenkov Counters (RICH) sind sehr nützlich im Bereich der Teilchenphysik geworden

• Die Ring Radien der Pionen, Myonen und Elektronen wurden mit 100-channel Photomultipliern, mit einer 10 x 10 cm2 großen aktiven Fläche, ausgelesen Ring-Radien von Pionen, Myonen und

Elektronen (3 GeV) in einem C4F10-Ar(75:25)-filled RICH-Zähler.

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Fokussierender Cherenkov-Zähler

• Photomultiplier sensitiv über beschränkten Winkelbereich

• Zähler spricht also nur in begrenztem Geschwindigkeitsbereich der Primärteilchen an

• Zähler eignet sich gut um das Energiespektrum eines Teilchenstrahles über einen bestimmten Bereich von C aufzunehmen

• Vorraussetzung: eng fokussierender Strahl

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Das von Marshall entwickelte System

• Benutzt werden die optischen Eigenschaften einer Kugellinse

• Würde das Licht in einer sphärischen Ebene die drei Radiuslängen entfernt aufgespannt wäre fokussieren

• Lichtstrahlen werden aber vorher durch ein Spiegelsystem auf die Photokathoden zweier Multiplier gelenkt, die in Koinzidenz geschaltet sind

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Beispiel 3

Energieauflösung eines fokussierenden Zählers

An der Abbildung zur Energieauflösung kann man die Brauchbarkeit desFokussierenden Zählers erkennen. Sie zeigt die Änderung des Cherenkov-Winkels,Nachdem ein 145 MeV Pion-Strahl 7,6 cm Graphit durchdrungen hat.

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Anwendungen / Übersicht

• Neutrinonachweis

• Kamiokande Experiment

• Nachweis von Photonen hoher Energie in der kosmischen Strahlung

• Experimente der „B-Fabriken“ BaBar und BELLE

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NeutrinonachweisMit Hilfe so genannter Neutrino-Teleskopen werden relativistische, geladene Teilchen,die bei Wechselwirkung von Neutrinos mit der Erde entstehen, nachgewiesen.Als transparentes Medium dient ein natürliches Wasser oder Eisvorkommen.

Kosmische Myon-Neutrinos haben eine sehr große mittlere freie Weglänge und Durchdringen somit die Erde fast ungehindert. Sie können allerdings mit NukleonenFolgende Reaktionen durchführen:

CC-Reaktion

NC-Reaktion

Für die Detektion sehr interessant ist in diesem Fall die CC-Reaktion. Der Wirkungsquerschnitt ist allerdings sehr gering und hängt bei hohen Energien annährend linear von der Neutrino-Energie ab:

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NeutrinonachweisDie Richtung des Myons unterscheidet sich nur wenig von der des ursprünglichenNeutrinos. Die mittlere Winkelabweichung ist gegeben durch:

Gleichzeitig wird somit die maximal mögliche Winkelauflösung eines Neutrino-Teleskopes definiert. Man kann aus diesem Wert erkennen wie genau die Richtungdes Neutrinos aus der Myonspur bestimmt werden kann.

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Neutrinonachweis

Prinzip des Neutrinonachweises mit einem Unterwasser-Neutrino-Teleskop

Anordnung der Photomultiplier(Baikal)

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Neutrinonachweis Es handelt sich um einen indirekten Neutrinonachweis. Durch Elektron-

Neutrinos oder Myon-Neutrinos werden Elektronen bzw. Myonen erzeugt und diese werden dann mit Hilfe des Cherenkov-Lichtes nachgewiesen.

In der unten gezeigten Abbildung handelt es sich um die Cherenkov-Ringe von Elektron und Myon. Der Ring der von einem Elektron erzeugt wurde, ist verwaschen. Der Grund dafür sind Elektronenschauer.

Cherenkovringe die durch Elektronen und Myonen in Wasser entstanden sind

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Kamiokande Experiment

• Ziel des Experimentes ist der Nachweis der Elektron-Neutrinos die in der Sonne aus dem Zerfall von 8B entstehen

• Die Neutrinos können in einem Wasser-Cherenkov-Zähler nachgewiesen werden

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Nachweis von Photonen hoher Energie in der kosmischen

Strahlung• Photonen sehr hoher Energie werden

nicht durch Magnetfelder beeinflußt• Lokalisation der Quelle möglich• Im benötigtem Öffnungswinkel und in der

benötigten Zeitspanne: Störphotonen von Sternen etwa 100 Photonen/m2

• Nachweisbare Cherenkov-Photonen etwa 333 Photonen/m2

• Signal sollte Meßbar sein

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Experimente der „B-Fabriken“ BaBar und BELLE

• Große Experimente der Teilchen Physik• Es werden DIRC-Zähler eingesetzt• Geschwindigkeitsmessung• Identifizierung