Bachelorarbeit - ep1.rub.de - Ruhr

A UFBAU EINES R EFERENZSYSTEMS FÜR DEN
L ICHTPULSER DES PANDA-K ALORIMETERS
Bachelorarbeit
im
Studiengang
„Bachelor of Science“
im Fach Physik
an der Fakultät für Physik und Astronomie
R UHR -U NIVERSITÄT B OCHUM
von
Gerrit Kuhl
aus
Coesfeld
Bochum, Sommersemester 2011
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Grundlagen
2
2.1
Das PANDA-Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.2
Das elektromagnetische Kalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.3
Wechselwirkung von Teilchen/Photonen mit Materie . . . . . . . . .
5
2.3.1
Wechselwirkung von Teilchen mit Materie . . . . . . . . . . .
5
2.3.2
Wechselwirkung von Photonen mit Materie . . . . . . . . . .
5
Szintillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4.1
Anorganische Szintillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4.2
Organische Szintillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4.3
Tabellarische Übersicht einiger Szintillatormaterialien . . . . .
8
2.4.4
Eigenschaften von PbWO4 und LaBr3 . . . . . . . . . . . . . .
8
Photodetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5.1
Photomultiplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5.2
APDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.6
Das Monitorierungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.7
Radioaktive Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.4
2.5
3 Messaufbau
13
4 Lanthanbromid als Szintillatormaterial
16
5 Aufbau des Referenzsystems
20
5.1
Montage der Aluminiumbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
5.2
Reproduzierbarkeit der Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.3
Messung mit dem Lichtpulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
5.4
Temperaturstabilität des Referenzsystems . . . . . . . . . . . . . . . .
23
6 Fazit und Ausblick
25
Literatur
26
Abbildungsverzeichnis
28
Tabellenverzeichnis
29
Danksagung
30
1
Einleitung
1
1 Einleitung
Die moderne Teilchenphysik versucht durch aufwendige Experimente an Teilchenbeschleunigern und komplexe Theorien wie die der Quantenchromodynamik Rückschlüsse auf die innerste Struktur der Materie zu ziehen. Als eine der anspruchsvollsten Aufgaben der Physik weltweit gestaltet sich die Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, also der Theorie, die alle vier Grundkräfte (die Gravitation,
die elektromagnetische Kraft, die starke und die schwache Kernkraft) miteinander vereint und korrekt beschreibt. Jede der vier Grundkräfte kann, für sich alleine betrachtet, korrekt beschrieben werden. Beim Versuch diese Theorien zu vereinen liefern sie aber widersprüchliche Ergebnisse. So ist die Gravitation heutzutage nur sehr wenig verstanden und scheinbar nicht mit anderen Wechselwirkungen in Verbindung zu bringen. Anders sieht es mit der elektromagnetischen, der
schwachen- und starken Kernkraft aus. Diese können feldtheoretisch einheitlich
mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) beschrieben werden.
Allerdings kann auch das Standardmodell nicht alle experimentellen Befunde, wie
z.B. die von Null verschiedene Ruhemasse des Neutrinis, erklären. Um die Prozesse der starken Wechselwirkung näher zu untersuchen, wird am FAIR1 in Darmstadt
das PANDA2 -Experiment aufgebaut, für welches der Lehrstuhl Experimentalphysik I der Ruhr-Universität Bochum die Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen
Kalorimeters (EMC) entwickelt.
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Referenzsystems für
das Lichtpulsersystem, das außerhalb des Kalorimeters montiert sein wird. Seine
Aufgabe wird es sein, eine Referenz zu den Kristallen und deren Lichtausbeute im
EMC darzustellen, da die Kristalle durch Strahlenschäden ihre Transmissionsfähigkeit verringern und weniger Licht emittieren.
1
2
Facility for Antiproton and Ion Research
AntiProton Annihilation at Darmstadt
2
Grundlagen
2
2 Grundlagen
2.1 Das PANDA-Experiment
Abb. 1: Aufbau des PANDA-Detektors [TDR]
Das PANDA-Experiment wird ein Detektor der zukünftigen Beschleunigeranlage
FAIR bei der GSI3 in Darmstadt sein. Mittels des Hochenergiespeicherrings HESR4
wird ein gekühlter Antiprotonenstrahl auf ein Proton Target gelenkt. Die Antiprotonen können auf einen Impuls von 1,5-15 GeV/c gebracht und im HESR gespeichert werden, womit eine maximale Schwerpunktsenergie von 5,5 GeV zur Verfügung steht. Durch stochastische Kühlung lässt sich die relative Impulsbreite der im
Strahl befindlichen Teilchen auf
δp
p
≈ 10−4 verkleinern. Die Strahlbreite lässt sich bei
geringen Strahlimpulsen durch zusätzliche Elektronenkühlung weiter verringern,
womit letztendlich eine Luminosität von 2 · 1032 cm−2 s−1 erreicht werden soll. Innerhalb des PANDA-Detektors wird der Antiprotonenstrahl mit dem Proton-Target
zur Kollision gebracht. Das Proton-Target besteht entweder aus einem Cluster-JetTarget oder aus gefrorenen Wasserstoffkugeln, den sogenannten Pellets. Bei der Kollision des Strahls mit dem Target kommt es zur Materie/Antimaterie-Annihilation.
Die hierbei entstehenden Teilchen werden daraufhin spektroskopiert. Der eigentliche PANDA-Detektor besteht aus zwei Spektrometern: zum einen aus dem Target3
4
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
High Energy Storage Ring
2
Grundlagen
3
Spektrometer, das den Wechselwirkungspunkt umgibt, und zum anderen aus dem
Vorwärtsspektrometer, welches Teilchen in Vorwärtsrichtung nahe der Strahlachse
detektiert. Die in Bochum entwickelte Vorwärtsendkappe des elektromagnetischen
Kalorimeters (EMC) ist Teil des Targetspektrometers. Dieses ist in Abbildung 1 auf
der linken Seite zu erkennen. Zusammen werden beide Spektrometer einen Raumwinkelbereich von fast 4π abdecken. Um den Impuls der Teilchen messen zu können, befindet sich ein Großteil des Kalorimeters in einem Magnetfeld. Im TargetSpektrometer wird durch eine supraleitende Solenoidspule ein Magnetfeld von
zwei Tesla erzeugt, wohingegen das Magnetfeld im Vorwärtsspektrometer von einem Permanentdipolmagneten erzeugt wird.
2.2 Das elektromagnetische Kalorimeter
Abb. 2: Aufbau des EMC; rechts die Vorwärtsendkappe in grün; links das Fass in blau [TDR]
Mit Hilfe eines elektromagnetischen Kalorimeters lässt sich die Gesamtenergie eines
Teilchens bestimmen, wenn dieses vollständig vom Kalorimeter absorbiert wird.
Das EMC im PANDA-Experiment wird hauptsächlich für den Nachweis von Elektronen, Positronen und Photonen verantwortlich sein. Es ist Teil des Target-Spektrometers und besteht zum einem aus dem Fass, das den Wechselwirkungspunkt umgibt und zum anderen aus den beiden Endkappen. Die Vorwärtsendkappe, die in
Abbildung 2 auf der rechten Seite in grün erkennbar ist, schließt ringförmig an
2
Grundlagen
4
das Fass an. Die Rückwärtsendkappe ist in dieser Abbildung nicht dargestellt. Da
sich das Target-Spektrometer und somit auch das EMC vollständig im Magnetfeld befindet, sollte es so kompakt wie möglich gefertigt werden, um die Ausmaße
des Magneten gering zu halten. In der Vorwärtsendkappe befinden sich insgesamt
3600 der rund 16000 im gesamten EMC verbauten Szintillatorkristalle. Zum Einsatz kommt Bleiwolframat (auch PbWO4 oder PWO genannt). Da dieser Szintillator
bei Raumtemperatur eine geringe Lichtausbeute hat, wird der gesamte Aufbau auf
-25 ◦ C heruntergekühlt, was die Lichtausbeute um den Faktor 4 erhöht. PbWO4
wird bereits am CERN5 , nämlich am ALICE6 - und CMS7 -Detektor erfolgreich verwendet. Es hat eine kurze Strahlungslänge, eine kurze Abklingzeit und eine gute Energieauflösung (siehe Tabelle 2 in Kapitel 2.2.4 „Eigenschaften von PbWO4
und LaBr3 “). Um das Licht der Szintillatoren zu detektieren, werden magnetfeldunabhängige Detektoren benötigt, weshalb Photomultiplier nicht in Frage kommen
(näheres im Kapitel 2.5 „Photomultiplier“). Eine weitere Anforderung an die Photodetektoren ist die Unempfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung, wie sie
beim Experiment entsteht und die Fähigkeit, auch bei einer Temperatur von -25
◦C
verwertbare und korrekte Ergebnisse zu liefern. Aus diesem Grund werden als
Photodetektoren Vakuum-Phototrioden (VPTs) und -tetroden (VPTTs) verwendet.
Da im Zentrum der Endkappe sehr hohe Teilchenraten auftreten, werden dort VPTs
und VPTTs zur Auslese verwendet. Weiter außen, wo die Teilchenrate geringer ist,
werden Avalanche Photo Dioden (APDs) verwendet. Die Szintillatorkristalle der
Endkappe sind nicht genau auf den Interaction Point ausgerichtet, sondern wenige
Zentimeter dahinter. Somit wird vermieden, dass Teilchen undetektiert zwischen
den Kristallen entkommen.
5
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire
A Large Ion Collider Experiment
7
Compact Muon Solenoid
6
2
Grundlagen
5
2.3 Wechselwirkung von Teilchen/Photonen mit Materie
In allen Detektoren werden Teilchen nicht direkt, sondern über ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen. Durchfliegt ein Teilchen Materie, so wird es durch
verschiedene Prozesse wie inelastische Stöße, Streuung am Kernpotential oder Ionisation in seiner Trajektorie beeinflusst. Die bei diesen Prozessen entstehenden
Sekundärteilchen bzw. Photonen werden daraufhin detektiert.
2.3.1 Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
Geladene Teilchen regen, beim Durchdringen von Materie Atome an oder ionisieren diese, woraus ein Energieverlust der Teilchen resultiert. Dieser Energieverlust
kann durch die Bethe-Bloch-Formel beschrieben werden. Für einen Ionisationsvorgang gilt [AMS]:
dE
−
dx
!
=K
I
δ
Z γme 2
ln
−
β
−
2I
2
Aβ2
Hierbei ist A das Atomgewicht und Z die Ordnungszahl des Atoms. Die Elektronenmasse me beträgt 511 keV/c2 , die zusammengefasste Konstante K ergibt sich wie
folgt:
K=
4πNa α2
≈ 0, 3071MeV · g−1 · cm2
me
Der Parameter I beschreibt das Ionisationspotential des Atoms, was der mittleren
Energie zur Ionisation entspricht. Der Faktor δ beschreibt die durch Polarisation
mögliche Abschirmung des Feldes, wodurch der Energieverlust reduziert wird.
Der Faktor γ ist der Lorentzfaktor γ = √ 1 , wobei β = vc die Geschwindigkeit
1−β2
des Teilchens in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit angibt. Des Weiteren ist das
Auftreten von Bremsstrahlung ab ca. 10 MeV dominierend und für das EMC von
großer Bedeutung. Es ist zu beachten, dass die Bethe-Bloch-Formel nicht für Elektronen gilt.
2.3.2 Wechselwirkung von Photonen mit Materie
Für den Nachweis von Photonen in einem Detektor müssen diese zunächst sekundäre, geladene Teilchen erzeugen, die dann ein Detektorsignal liefern. Das Photon
wechselwirkt grundlegend anders in Materie als geladene Teilchen. Es wird entweder vollständig absorbiert (Paarbildung, Photoeffekt) oder es wird an gebundenen
Elektronen gestreut (Compton-Effekt).
Photoeffekt:
Der Photoeffekt lässt sich in einen inneren und einen äußeren Photoeffekt unterteilen. Da der innere Photoeffekt bei Halbleitern wie Photodioden auftritt,
2
Grundlagen
6
wird dieser hier nicht behandelt. Der äußere Photoeffekt dominiert bei Energien Eγ < 1 MeV. Das einfallende Photon löst hierbei ein Elektron aus dem
Atom, wenn die Photonenenergie größer ist als die Austrittsarbeit ΦA des jeweiligen Metalls.
E γ = h · ν ≥ ΦA
Es gibt also eine Mindestfrequenz bzw. Maximalwellenlänge, ab welcher der
Effekt auftritt. Unterhalb dieser Grenze besitzt das Photon nicht genügend
Energie, um das Elektron aus dem Coulombfeld des Kerns zu bringen. Bei
einer Photonenenergie Eγ > ΦA besitzt das Elektron nach der Ionisation die
kinetische Energie:
Ekin = h · ν − ΦA
Aus Impulserhaltungsgründen findet der Photoeffekt immer in kernnahen
Schalen wie der K-Schale statt. Hierbei nimmt der Kern den Rückstoß, den
das Elektron beim Verlassen des Atoms erzeugt, auf.
Compton-Effekt:
Bei Photonenenergien von Eγ ≈ 1 MeV tritt häufig der Compton-Effekt auf.
Hierbei streut ein Photon an einem gebundenen Elektron elastisch und läuft
danach unter einem anderem Wellenvektor ~k und größerer Wellenlänge λ
weiter. Sein Wirkungsquerschnitt σc ist proportional zur Kernladungszahl Z,
da bei höherem Z auch mehr potentielle Stoßpartner zur Verfügung stehen.
0
Das Verhältnis von gestreuter Photonenenergie Eγ zur einfallenden Photonenenergie Eγ ist gegeben zu:
0
Eγ
Eγ
=
1
1+
Eγ
(1
me c2
− cos θ)
Der Winkel θ kann hier Werte zwischen 0, was keinem Energieübertrag entspricht, bis π (maximaler Energieübertrag) annehmen.
Paarbildung:
Besitzt das Photon die Energie Eγ ≥ 1, 022 MeV, so kann es gemäß E = me c2
seine Energie in Masse umwandeln und ein Elektron-Positron-Paar erzeugen.
Aus Impulserhaltungsgründen findet dieser Prozess häufig in Kernnähe statt,
da dieser den Rückstoß aufnehmen kann. Somit ergibt sich für die Schwellenenergie des Photons:
Eγ ≥ 2me c2 + 2
m2e
m k c2
Dieser Effekt dominiert ab einer Energie von 5 MeV [GRU]
2
Grundlagen
7
2.4 Szintillatoren
Szintillatoren sind Materialien, die beim Durchgang von Photonen oder geladenen
Teilchen angeregt werden und sich unter Emission von Licht (sichtbares Licht, UV
oder Röntgenstrahlen) wieder abregen. Dieses Licht kann von Photomultipliern
oder Halbleiterdetektoren gemessen werden. Als Szintillatormaterialien können
anorganische Kristalle, organische Stoffe oder Gase verwendet werden. Der Mechanismus, der die Szintillationen in den jeweiligen Materialien erzeugt, ist grundlegend verschieden.
2.4.1 Anorganische Szintillatoren
Anorganische Szintillatoren wie Caesiumiodid (CsI) oder Natriumiodid (CsI) werden meist mit Fremdatomen, den sogenannten Farbzentren oder Aktivatorzentren,
dotiert. Diese gezielt eingebrachten Verunreinigungen rekombinieren unter Emission von Licht mit schwach gebundenen Elektronen-Loch-Paaren, den sogenannten
Exzitonen (Abbildung 3). Bei anorganischen Szintillatoren findet man häufig eine
Angabe der Dotieratome in Klammern, beispielsweise NaI(Tl) oder CsI(Tl), was
auf die Verwendung von Thallium als Aktivatoratom hindeutet. Bei dem für diese Bachelorarbeit verwendeten Szintillator Lanthanbromid (LaBr3 ) wird eine Konzentration von 5% Cerium als Dotierung verwendet[SGB2]. Die Abklingzeit eines
solchen Szintillators wird durch die Lebensdauer der in ihm angeregten Zustände
bestimmt. Sie ist im Vergleich zu organischen Szintillatoren wesentlich größer und
liegt im Bereich von wenigen Mikrosekunden. Des Weiteren sind diese Kristalle
häufig hygroskopisch, weshalb direkter Kontakt mit Wasser oder feuchter Luft zu
vermeiden ist.
Abb. 3: Schematischer Aufbau eines anorganischen Szintillators [KLE]
2
Grundlagen
8
2.4.2 Organische Szintillatoren
Die Funktionsweise eines organischen Szintillators beruht im Wesentlichen auf einer dreikomponentigen Mischung aus einem Fluoreszenzstoff, einem Wellenlängenschieber und einem organischen Material, welches die Materialien zu einer polymerisierenden Substanz verbindet. Da es sich um keinen Kristall handelt, können
diese Szintillatoren in allen geometrischen Formen hergestellt werden. Durch den
Energieverlust von Teilchen in Materie werden Vibrationsmoden im Fluoreszenzstoff angeregt. Diese zerfallen darauf unter Emission von UV-Licht. Das UV-Licht
wird von einem Wellenlängenschieber absorbiert und als langwelligeres Licht reemittiert und kann schließlich mit einem geeigneten Detektor gemessen werden. Die
Verschiebung der Wellenlänge ist besonders wichtig, wenn Photomultiplier verwendet werden, da ihr Eintrittsfenster UV-Licht stärker absorbiert als Licht von
größerer Wellenlänge.
2.4.3 Tabellarische Übersicht einiger Szintillatormaterialien
Szintillator
NaI(Tl)
CsI(Tl)
LiI(Eu)
CeF3
Dichte ρ [g/cm3 ]
3,67
4,51
4,06
6,16
Abklingzeit [µs]
0,23
1,0
1,3
0,03
Strahlungslänge X0 [cm]
2,59
1,86
2,2
1,7
Tab. 1: Tabellarische Übersicht einiger Szintillatormaterialien
2.4.4 Eigenschaften von PbWO4 und LaBr3
Parameter
Dichte ρ [g/cm3 ]
Abklingzeit [µs]
Strahlungslänge X0 [cm]
Schmelztemperatur [◦ C]
λmax [nm]
relative Lichtausbeute [ % von NaI]
LaBr3
5,08
0,016
1,8
843
380
165
Tab. 2: Eigenschaften von PbWO4 und LaBr3
PbWO4
8,82
0,006
0,89
1123
420
1,2
2
Grundlagen
9
2.5 Photodetektoren
2.5.1 Photomultiplier
Mit Hilfe eines Photomultipliers lässt sich das sichtbare bzw. das UV-Licht beispielsweise von Szintillatorkristallen in einen Strompuls, der proportional zur Energie der beobachteten Teilchen ist, umwandeln. Hierzu werden die Elektronen, die
mittels Photoeffekt durch die einfallenden Photonen aus einer Metall-Photokathode
herausgelöst werden, lawinenartig über mehrere Dynodenstufen verstärkt (siehe
Abbildung 4). Zunächst werden die Photoelektronen mit einem elektrischen Feld
auf die erste Dynode fokussiert. Die negative Spannung, welche an der Kathode anliegt, wird über einen Spannungsteiler linear über die Dynodenstufen zur Anode
hin heruntergeteilt. Eine wichtige Kenngröße des Photomultipliers ist die Quantenausbeute η(λ). Sie beschreibt das Verhältnis zwischen den Photoelektronen und
der Zahl der eingefallenen Photonen:
η(λ) =
NPh
Nγ (λ)
Abb. 4: Schematischer Aufbau eines Photomultipliers [DEM]
Für einen Photomultiplier mit n Stufen und somit n-1 Dynoden und einem Sekundäremissionskoeffizienten p beträgt die Stromverstärkung:
A = pn−1
Für realistische Werte von p = 4 und n = 14 erhält man A = 7 · 107 . Somit ist die
Gesamtladung Q, die an der Anode ankommt, gegeben mit:
Q = e · A = 1.1 · 10−11C
2
Grundlagen
10
Die für die Sammlung einer solchen Ladung benötigte Zeit beträgt ca. 5 ns, woraus
sich ein Anodenstrom von
I=
dQ
= 2.2 mA
dt
ergibt. Über einen Widerstand von R=50 Ω ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz
somit ein Spannungssignal von
∆U = R ·
dQ
= 110 mV.
dt
Ein Spannungspuls dieser Größe lässt sich leicht erfassen. [GRU]
Da die Vervielfachung der Elektronen über elektrische Felder zwischen den Dynodenstufen realisiert ist, würde ein externes Magnetfeld die Elektronen gemäß der
Lorentzkraft ablenken. Aus diesem Grund werden Photomultiplier nicht in Magnetfeldern, wie sie beispielsweise in Teilchendetektoren herrschen, verwendet.
Für den Aufbau des Referenzsystems kann jedoch ein Photomultiplier verwendet
werden, da sich dieses außerhalb des EMCs und somit außerhalb des Magnetfeldes
befindet.
2.5.2 APDs
Da Photomultiplier für die Verwendung in Magnetfeldern nicht geeignet sind, werden innerhalb des EMCs alternative Detektoren verbaut. Die Avalanche-Photodioden sind das Halbleiter-Analogon zum Photomultiplier, da auch sie über ein
elektrisches Feld verfügen und so Ladungsträger beschleunigen und vervielfachen
können. Hierfür bestehen sie aus verschiedenen Schichten. Die einfallenden Photonen erzeugen in der p+ -Schicht Elektronen-Loch-Paare. Durch das elektrische
Feld werden die Elektronen auf die p-n-Sperrschicht beschleunigt und erzeugen
dabei weitere Elektronen-Loch-Paare, von denen wiederum die dabei erzeugten
Elektronen auf die Sperrschicht zudriften. Diese passieren dann die n+ - und n++ Schicht, bevor sie über die n++ -Elektrode abfließen. Die sehr kompakte Bauweise
(alle Schichten zusammen haben eine Dicke von ca. 400 µm) erlaubt den Einsatz
in Magnetfeldern. Des Weiteren werden auch VPTs (Vakuum-Phototrioden) und
VPTTs (Vakuum-Phototetroden) im EMC verbaut, auf welche in dieser Arbeit nicht
eingegangen wird.
2
Grundlagen
11
2.6 Das Monitorierungssystem
Die bereits angesprochene ionisierende Strahlung beschädigt die Bleiwolframatkristalle, sodass diese einen Teil des emittierten Lichts wieder reabsorbieren. Diese Strahlenschäden sollen von einem Lichtpulsersystem überwacht werden. Allgemein ist das System zur Diagnostik einzelner Kanäle äußerst nützlich. Um das
Ausmaß der Schäden bestimmen zu können, kann der Lichtpulser Licht von 455
nm, 530 nm und 660 nm Wellenlänge über Lichtwellenleiter auf die Kristalle geben. Das blaue Licht (455 nm) des Lichtpulsers soll für die Strahlenschäden der
PbWO4 -Kristalle verwendet werden, wohingegen die 530 nm und 660 nm Lichtpulse für die Photodioden und die Ausleselektronik Verwendung finden werden.
Im Rahmen einer Diplomarbeit ist ein Lichtpulser für den Proto192 in dieser Form
entwickelt worden. Anforderungen an den Pulser sind die Ähnlichkeit der Pulse in
Bezug auf das Szintillationslicht von PbWO4 in Zeit- und Intensitätsverhalten. Der
Lichtpulser besteht aus einer LUXEON REBEL LED pro Farbe, welche durch geeignete Beschaltung die Pulse erzeugt. Des Weiteren sind LCDs, bei denen die Transmission über die angelegte Spannung eingestellt werden kann, als Abschwächer
verbaut. Der quaderförmige Lichtmischer sorgt für eine homogene Intensitätsverteilung des Pulserlichtes. Der endgültige Aufbau des Lichtpulsers ist in Abbildung
5 zu erkennen. Auf der rechten Seite befindet sich die Elektronik des Lichtpulsers.
Auf die LCDs, die links von den Platinen zu erkennen sind, folgt der Lichtmischer.
Zur Auskopplung des Lichts, um es z. B. dem Referenzsystem zur Verfügung zu
stellen, sind auf der linken Seite die gelben Lichtwellenleiter angebracht. Über sie
erreicht es die Systeme, für dessen Überwachung der Lichtpulser verantwortlich
sein wird. [MOT]
Lichtwellenleiter
Lichtmischer
Abb. 5: Lichtpulser
LCD
LED
2
Grundlagen
12
2.7 Radioaktive Quellen
Mit Hilfe radioaktiver Quellen, die Strahlung bekannter Energie emittieren, können aufgenommene Spektren geeicht werden. Hierzu werden meist Laborquellen
wie Natrium 22 (Na22), Kobalt 60 (Co60) oder Caesium 137 (Cs137) verwendet.
Der radioaktive Zerfall von Elementen stellt nur einen Oberbegriff für verschiedene
Zerfallsarten, die auf verschiedenen physikalischen Effekten beruhen, dar. So ist es
beispielsweise für isobare Elemente (Elemente mit konstanter Nukleonenzahl) bei
Neutronenüberschuss energetisch günstig, ein Neutron in ein Proton umzuwandeln. Dabei wird ein Elektron (e− ) und ein Elektron-Antineutrino (νe ) freigesetzt.
Dies nennt man den β− -Zerfall. Es gibt auch den β+ -Zerfall, bei dem sich ein Proton
unter Emission eines Positrons (e+ ) und eines Elektron-Neutrinos (νe ) in ein Neutron umwandelt. Der β+ -Zerfall tritt z. B. bei Na22 auf. Der sogenannte α-Zerfall soll
hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Bei ihm wird aus dem zerfallenden Atom ein Heliumkern emittiert. Da diese Zerfallsart allerdings bei den oben
genannten Isotopen nicht auftritt, ist sie bei dieser Arbeit nicht von Bedeutung.
Beim γ-Zerfall handelt es sich, anders als beim α- oder β-Zerfall nicht um Teilchen,
sondern um elektromagnetische Strahlung. Diese sogenannte γ-Strahlung entsteht,
wenn sich ein Kern im angeregten Zustand abregt. Häufig tritt dies bei Spaltprodukten auf, welche nach der Fission noch teils stark angeregt sind und sich unter
Emission eines γ-Quants abregen. Die γ-Strahlung ist nicht zu verwechseln mit der
Röntgenstrahlung, die durch Elektronenübergänge in der Atomhülle ensteht. Sie
kommt aus dem Kern selbst und ist meist energiereicher als die γ-Quanten der
Röntgenstrahlung.
Abb. 6: Verschiedene Strahlungsarten und ihre Abschirmung
3
Messaufbau
13
3 Messaufbau
Abb. 7: Messaufbau
Alle Messungen in dieser Arbeit werden in einer lichtundurchlässigen Metallkiste
(Abbildung 7) durchgeführt. Der Szintillatorkristall wird über ein optisches Gel,
welches den Brechungsindex zwischen Szintillator und Eintrittsfenster des Photomultipliers anpasst, gekoppelt. Auf diese Weise werden Reflexion an der Grenzübergangsschicht zwischen Szintillator und Photomultiplier vermindert. Über eine
speziell angefertigte Kappe, in der sich der Szintillator befindet, können des Weiteren noch Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Auf diese Weise wird das Licht
des Lichtpulsers direkt auf den Photomultiplier geleitet. Das Photomultipliermodul der Marke Hamamatsu H7415 beeinhaltet die Röhre R6427, welche insgesamt
10 Dynodenstufen enthält. Das erzeugte Signal wird auf einen Verstärker (Tennelec 205A) gegeben und dann mittels ADC8 in logische Signale verwandelt. Über
eine DAQ-Software werden dann diese Signale am Computer aufgenommen und
ausgewertet. Mit diesem Aufbau kann bereits ein Gammaspektrum und die Intensitätsverteilung des Lichtpulsers in einem Histogramm dargestellt werden. Für das
Referenzsystem werden zwei Verstärker des Typs Tennelec 205A mit unterschiedlicher Verstärkung eingesetzt. Hierzu wird zunächst das Anodensignal vom Pho8
Analog to Digital Converter
3
Messaufbau
14
tomultiplier mittels eines selbst hergestellten Teilers impedanzkorrigiert gesplittet.
Bei der Verwendung eines T-Stückes von einer auf zwei BNC-Buchsen kam es aufgrund der unterschiedlichen Impedanzen zu starken Schwingungen des Anodensignals. Der Teiler besteht aus insgesamt sechs 33 Ω Widerständen, von denen jeweils
zwei parallel zusammengelötet wurden. Damit ergeben sich drei 16 Ω Widerstände, wovon zwei parallel und einer in Reihe geschaltet das Signal von Input in zwei
Outputsignale aufteilt (Abbildung 8). Diese werden dann an die zwei Verstärker
angeschlossen und das verstärkte Signal wird den beiden ADCs übergeben.
Abb. 8: Schaltplan des Anodensignalteilers
Abb. 9: Rack mit Verstärkern, Hochspannung und Split
3
Messaufbau
15
In Abbildung 10 ist die Innenansicht der Metallkiste zu erkennen. Ein Bündel bestehend aus 16 Lichtwellenleitern wurde in das Innere der Kiste verlegt. Von diesen
vier als Kapsel zusammengefassten Lichtleitern wurde jeweils einer über eine speziell an den Szintillator angepassten Kappe auf den Photomultiplier gegeben. Diese Kappe ermöglicht es, gleichzeitig einen Lichtwellenleiter und einen Szintillator
(Maße der Szintillatorkapsel in Kapitel 4) auszulesen und sorgt für eine stabile Halterung der empfindlichen Lichtwellenleiter. Des Weiteren schützt die Kappe auch
vor Licht im Aufbau.
Abb. 10: Innenansicht der Metallkiste
4
Lanthanbromid als Szintillatormaterial
16
4 Lanthanbromid als Szintillatormaterial
Da Szintillatoren auch in der heutigen Zeit eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Medizintechnik, mobiler Strahlungsmessung oder Hochenergiephysik besitzen, werden sie ständig weiterentwickelt und verbessert. Ein
Ergebnis der Forschung nach neuen Szintillatormaterialien war das 2001 entdeckte
Lanthanbromid (kurz: LaBr3 ). Es ist ein anorganischer Szintillator und stark hygroskopisch, weshalb der Kristall nicht in direkten Kontakt mit normaler Raumluft
gelangen sollte. Um dies zu vermeiden, werden solch anfällige Materialien meist
gekapselt eingesetzt. Abbildung 11 zeigt die Skizze der Kapsel des Kristalls, mit
dem sämtliche Messungen dieser Arbeit angefertigt wurden. Die Maße der Kapsel
sind:
Durchmesser ∅
Höhe h
16mm ± 0,5mm
20mm ± 0,5mm
Tab. 3: Abmessungen der Kapsel
Abb. 11: Maße der Kapsel
Abb. 12: Bild der Kapsel
Die Herstellerfirma des genutzten Kristalls Saint-Gobain Crystals vertreibt LaBr3
unter dem Namen „BrilLanCe 380“, welcher nach kurzer Justage sehr gute Ergebnisse (siehe Abbildungen 13, 14, 15) liefert. Die „380“ im Namen „BrilLanCe 380“
steht für das Strahlungsmaximum λmax , das bei LaBr3 bei 380 nm liegt (siehe Tabelle 2). Mit Hilfe des in Kapitel 3 beschriebenen Messaufbaus sind folgende drei
Spektren von Natrium 22, Cobalt 60 und Caesium 137 aufgenommen worden:
4
Lanthanbromid als Szintillatormaterial
Abb. 13: Na22 Spektrum mit LaBr3
Abb. 14: Co60 Spektrum mit LaBr3
Abb. 15: Cs137 Spektrum mit LaBr3
17
4
Lanthanbromid als Szintillatormaterial
18
Der zum Vergleich verwendete CsI-Szintillator wurde aus einem alten BaBar-Kristall
zurechtgeschnitten und per Hand geschliffen und poliert (siehe Abbildung 18). Die
Aufnahme der Spektren mit dem CsI-Kristall erwies sich als aufwendig, da die
Oberfläche nicht exakt plan war. Daraus resultierte trotz der Verwendung eines
optischen Gels eine schlechte Kopplung zwischen Photomultiplier und Kristall.
Hier sei zum Vergleich das mit dem selben Aufbau, aber CsI-Szintillator gemessene Na22-Spektrum dargestellt.
Abb. 16: Na22-Spektrum mit CsI
Abb. 17: Logarithmisches Na22-Spektrum mit CsI
Es ist zu erkennen, dass der Peak der 511 keV Linie im Na22-Spektrum deutlich
breiter ist als in Abbildung 13. Auch der Photopeak ist deutlich flacher und breiter.
Des Weiteren ist die Comptonkante nur wenig ausgeprägt. Aufgrund der geringeren Lichtausbeute des CsI im Vergleich zu LaBr3 wurde die Spannung am Photomultiplier hochgeregelt (U PMT ≈ 1500V) und auch der Verstärker auf eine höhere
Verstärkung eingestellt. Aus diesem Grund unterscheiden sich die jeweiligen Kanalnummern für eine bestimmte Energie in den verschiedenen Spektren. Dennoch
ist die Form und Güte des Spektrums qualitativ sichtbar. Es lassen sich mit CsI
auch bessere und schärfere Spektren aufnehmen als in Abbildung 16 zu sehen ist.
Allerdings ist in dem Fall mehr Aufwand zu betreiben, da der Kristall passgenau in
Spiegelfolie verpackt und exakt mit dem Photomultiplier gekoppelt werden muss.
4
Lanthanbromid als Szintillatormaterial
19
Abschließend bleibt hervorzuheben, das LaBr3 ein sehr guter, auch bei Raumtemperatur lichtstarker Szintillator ist, mit dem Messungen ohne großen Aufwand
durchzuführen sind. Allerdings handelt es sich bei LaBr3 um einen teuren Szinzillator. Die Kapsel mit Szintillator, die für die Anfertigung dieser Bachelorarbeit
verwendet wurde, kostet zur Zeit bei der Firma Saint-Gobain Crystals ca. 2600 Euro
netto (Stand 9.06.2011). Somit scheidet LaBr3 als Szintillator in großen Experimenten, bei denen eine Vielzahl an Kristallen benötigt wird, bereits aus finanziellen
Gründen aus.
Abb. 18: Der verwendete CsI-Szintillator
5
Aufbau des Referenzsystems
20
5 Aufbau des Referenzsystems
Nachdem mit dem Aufbau, wie in Kapitel 3 beschrieben, erfolgreich radioaktive
Spektren aufgenommen worden waren, konnte mit dem Bau des Referenzsystems
begonnen werden.
5.1 Montage der Aluminiumbox
Da die exakte Position des Referenzsystems am Prototypen noch nicht feststeht,
sollte es sich möglichst in alle Richtungen montieren lassen und platzsparend sein.
Hierzu wurde eine passgenaue Alubox verwendet, welche sich an den Maßen des
Photomultipliers orientiert. Die Box hat die Maße: Höhe 6,5 cm, Tiefe 23 cm, Breite 10 cm. Die Halterung des Photomultipliers wurde an den Boden der Box geschraubt, um größtmögliche Stabilität auch bei waagerechter Montage zu gewährleisten. Zuletzt wurde noch eine Halterung für radioaktive Quellen auf dem Boden
der Box montiert und verschraubt. In Abbildung 20 ist zu erkennen, dass die Kap-
Abb. 19: Montiertes Referenzsystem
Abb. 20: Referenzsystem mit Blick auf
Quellenhalterung
pe exakt mit dem Gehäuse abschließt. Die Einkopplung der Lichtwellenleiter kann
somit ohne Öffnen des Referenzsystems vorgenommen werden.
5
Aufbau des Referenzsystems
21
5.2 Reproduzierbarkeit der Spektren
Eine wichtige Anforderung an das Referenzsystem ist die Reproduzierbarkeit der
Spektren. So sollte sich beispielsweise die Lage eines Peaks in einem Spektrum
zwischen verschiedenen Messungen nicht unterscheiden, da über die Peaks den
Kanälen des ADCs eine bestimmte Energie zugeordnet wird. Um zu überprüfen,
ob sich Peaks im Spektrum bei erneuter Messung wieder an der gleichen Position ausbilden, wurden vier Messungen über einen Zeitraum von je fünf Minuten
durchgeführt. Als γ-Quelle wurde Natrium 22 verwandt. Dann wurde ein Gaußfit
am 511 keV Peak vorgenommen, der Wert des Maximums abgelesen und mit dem
der anderen Messungen verglichen. Wie in Abbildung 21 zu erkennen, ist der Untergrund links vom Peak größer als auf der rechten Seite. Aus diesem Grund wurde neben der Gaußfunktion zusätzlich ein Polynom angefittet, um diesen Effekt
mit einzubeziehen. Alle vier Messungen wurden in kurzen Abständen zueinander
durchgeführt, um mögliche Temperaturschwankungen zu minimieren. Diese werden im Kapitel 5.4 „Temperaturstabilität des Referenzsystems“ weiter untersucht.
Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle zu sehen:
Messung [Nr.]
1
2
3
4
Mean [Channel]
204,1
204,1
204,2
204,1
Tab. 4: Lage des 511 keV Peaks
Abb. 21: Fit des 511 keV Peaks von Natrium 22
5
Aufbau des Referenzsystems
22
Es ist zu erkennen, dass bei Messung 3 die Kanalnummer um den Wert 0,1 abweicht. Dies entspricht einer Abweichung von etwa 0,05 %. Diese geringe Abweichung ist tolerierbar. Von daher kann das Referenzsystem bei konstanter Temperatur als stabil angesehen werden. Die Meanwerte des 511 keV Peaks unterscheiden
sich von denen, die bei der Messung zur Temperaturstabilität (Kapitel 5.4) angegeben sind. Da zwischen den Messungen des Öfteren der Gain der beiden Verstärker
variiert wurde, ist dies auch nicht anders zu erwarten.
5.3 Messung mit dem Lichtpulser
Für die Überwachung der Strahlenschäden mit dem Lichtpulsersystem wird eine Referenz benötigt. Durch die radioaktive Quelle ergibt sich eine Zuordnung
zwischen der Kanalnummer des ADC und der entsprechenden Energie. Das Licht
des Lichtpulsers wird zusätzlich über eine Faser auf den Photomultiplier geleitet,
wodurch ein Schwanken seiner Intensität relativ zu den Quellenpeaks feststellbar
ist. Mittels zweier Verstärker, welche bei unterschiedlicher Verstärkung betrieben
werden, wird das Signal des Photomultipliers so verstärkt, dass der komplette Intensitätsbereich des Lichtpulsers abgedeckt ist. Hierzu wird die Transmission der
LCDs zunächst auf den minimalen Wert eingestellt. Der Peak des Lichtpulsers sollte sich dann im γ-Spektrum des Verstärkerkanals mit hohem Gain befinden. Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sollte er sich bei Na22 irgendwo zwischen dem 511
keV Peak und dem 1275 keV Photopeak befinden. Für maximale Transmission
der LCDs soll sich der Peak des Lichtpulsers am rechten Rand des Verstärkerkanals mit niedrigem Gain ausbilden. Das Mittel der Intensitäten wird dann in beiden Auslesekanälen zu sehen sein. Mit der radioaktiven Quelle als Referenz kann
auf diese Weise eine Verschiebung des Lichtpulserpeaks (bzw. seines Mittelwertes), beispielsweise hervorgerufen durch die vermindete Transmissionfähigkeit der
PbWO4 -Kristalle, beobachtet werden. Für diese Messung standen noch keine geeigneten Filter bzw. Montagevorrichtungen für bereits vorhandene Neutralglasfilter
zur Verfügung, weshalb keine Messung wie sie oben beschrieben wurde, durchgeführt werden konnte. Zu Beginn der Messungen trat das Problem auf, dass der
Lichtpulser einen nicht gaußförmigen Peak im Histogramm erzeugte. Durch eine
andere, stabilere Spannungsversorgung wurde das Signal besser, sodass sich ein
gaußförmiger Peak wie in Abbildung 22 zu erkennen ist, ergab. Dieser Peak wurde mit einer Transmission von „1300“ als mittlere Intensität aus einem Bereich von
0-2000 (willkürliche Einheit), die in EPICS eingestellt werden kann, aufgenommen.
In EPICS ist auch eine Auswahl der LEDs möglich. Für diese Aufnahme wurde die
blaue LED verwendet. Bei der Justage der Lichtwellenleiter ist darauf zu achten,
dass diese bis zum Ende in die Kappe eingeschoben werden, sodass sie direkten
Kontakt zum Eintrittsfenster des Photomultipliers haben. Ist dies nicht der Fall, so
5
Aufbau des Referenzsystems
23
verschiebt sich der Peak des Lichtpulsers aufgrund des Intensitätsverlustes.
Abb. 22: Gaußfit des Lichtpulserpeaks
5.4 Temperaturstabilität des Referenzsystems
Da das Referenzsystems außerhalb des Prototypen und später auch außerhalb des
EMCs betrieben wird, ist es Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt.
Deshalb ist zu überprüfen, ob es eine signifikante Temperaturabhängigkeit aufweist. Photomultiplier sind bauartbedingt unempfindlich gegenüber kleineren Temperaturschwankungen, wie sie in Laboren oder Experimentierhallen auftreten. Aus
diesem Grund wird keine signifikante Abweichung erwartet. Da der Experimentieraufbau für diese Arbeit in einem nicht klimatisiertem Labor aufgebaut war,
musste die Temperatur auf andere Weise variiert werden. Es wurde ein Heißluftfön in ein Stativ, das über dem Referenzsystem positioniert war, eingehängt. Zunächst wurde getestet, ob durch diesen Aufbau konstante Temperaturen erreicht
werden konnten. Dies wurde mit Hilfe eines Multimeters, welches auf Temperaturmessung eingestellt wurde, und eines Temperaturfühlers realisiert. Dieser Temperaturfühler wurde ins Innere des Referenzsystems geführt, um dort die Temperaturen zu messen. Nachdem der Fön eingeschaltet worden war, wurde gewartet,
bis sich eine konstante Temperatur eingestellt hatte. Daraufhin wurde überprüft,
ob diese auch über einen messrelevanten Zeitraum von 5 Minuten konstant blieb.
Nach einigen Minuten hatte sich die Aluminiumbox aufgeheizt und befand sich
im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. Die Temperatur schwankte
in einem Zeitraum von 5 Minuten weniger als 0,5 ◦ C. Mit diesem vergleichsweise
einfach realisierten -und dennoch aktzeptabelen- Messaufbau ließen sich quantitative Messungen durchführen. Über die Höhe des Föns über dem Referenzsystem
5
Aufbau des Referenzsystems
24
wurde die Temperatur variiert; insgesamt wurde bei 23 ◦ C (Raumtemperatur), 40
◦C
und 53 ◦ C gemessen. Bedingt durch den Aufbau war es nicht möglich, signi-
fikant andere Temperaturen zu vermessen. Mit einem ∆T von 30 ◦ C ist jedoch zu
erkennen, wie sich das Referenzsystem bei Temperaturschwankungen verhält. Vermessen wurde der 511 keV Peak der Na22-Quelle. Es wurde eine Gaußfunktion an
das gemessene Spektrum angepasst und der Wert des Maximums abgelesen. Bei
einer Temperaturabhängigkeit des Referenzsystems würde sich die Lage des Peaks
für verschiedene Temperaturen verschieben. Für die drei Messungen haben sich
folgende Werte ergeben:
Temperatur [◦ C]
23
40
53
Mean [Channel]
243,6
241,5
243,3
Tab. 5: Abweichung der Mittelwerte bei variabler Temperatur
Es fällt auf, dass der Mittelpunkt des Gaußfits für die 40 ◦ C Messung um ca. zwei
Kanalnummern von den anderen beiden abweicht, was einer Änderung von fast einem Prozent entspricht. Handelt es sich hierbei nicht um eine Messungenauigkeit,
so ist dies nicht zu tolerieren und es muss eine Temperaturstabilisierung für das Referenzsystem entwickelt werden. Die Messung ist z. B anfällig gegenüber sich öffnender Türen, Fenster oder vorbeigehender Personen. Durch den Luftzug wird die
Wärmeübertragung auf das Referenzsystem vermindert und so können Temperaturschwankungen auftreten. Hinzu kommt, dass die Temperaturmessfunktion des
Multimeters nicht exakt und vor allem träge ist. So kann ein Luftzug das System
abkühlen, ohne dass es detektiert wird. Daher sollte die Messung zur Temperaturstabilität nur als Anhaltspunkt dienen und unter besser geeigneten Bedingungen
wiederholt werden.
6
Fazit und Ausblick
25
6 Fazit und Ausblick
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit ist ein Referenzsystem für den Lichtpulser des
PANDA-Kalorimeters entwickelt und aufgebaut worden. Nachdem sich zunächst
Messungen mit einem vom BaBar-Experiment stammenden CsI-Szintillator als wenig erfolgversprechend herausstellten, wurde als Szintillationsmaterial LaBr3 verwendet. Bei dem verwendeten Kristall handelt es sich um eine Leihgabe der Universität Stockholm in Schweden. Die Anschaffung eines neuen, baugleichen Szintillators ist geplant. Vorraussichtlich wird als radioaktive Quelle Natrium 22 zum
Einsatz kommen. In den Messungen erwies sich Na22, ein β+ - und ein Gammastrahler als nützlich. Aufgrund der Güte von LaBr3 lässt sich allerdings auch jede
andere Quelle verwenden. Es ist zu beachten, dass Aufgrund der geringen Halbwertszeit von Natrium 22 (T1/2 ≈ 2,6 Jahre) die Zeit, welche benötigt wird, um genug Einträge für die Aufnahme eines verwertbaren Spektrums zu sammeln, bei
höherem Alter der Quelle ansteigt. Aus diesem Grund sollte die Quelle in bestimmten Zeitabständen erneuert werden. Des Weiteren wird empfohlen, erneut
genauere Messungen zur Temperaturstabilität des Referenzsystems durchzuführen. Sollte sich hierbei herausstellen, dass das Referenzsystem sensibel auf Temperaturschwankungen reagiert, so muss eine Temperaturstabilisierung entwickelt
werden. Nur so kann die Funktionalität des Referenzsystems sichergestellt werden.
Die spätere Position des Referenzsystems am Prototypen ist noch nicht bestimmt,
jedoch sollte es sich nach Möglichkeit auf einer Achse mit dem Lichtpulsersystem
befinden. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei einer Drehung des Prototypen
die empfindlichen Lichtwellenleiter nicht beschädigt werden. Außerdem können
diese dann passgenau auf den Abstand von Referenzsystem zu Lichtpulsersystem
angefertigt werden, sodass unnötig lange Lichtwellenleiter vermieden werden.
Literatur
26
Literatur
[TDR] T HE PANDA C OLLABORATION: Technical Design Report for: PANDA Electromagnetic Calorimeter (EMC)
Strong Interaction Studies with Antiprotons.
PANDA Collaboration, 2008.
[TPR]
T HE PANDA C OLLABORATION: Technical Progress Report for: PANDA
Strong Interaction Studies with Antiprotons.
PANDA Collaboration, 2005.
[MOT] C HRISTOF M OTZKO: Diplomarbeit: Prototypmessungen für das PANDA elektromagnetische Kalorimeter
Bochum, 2008.
[GRU] C LAUS G RUPEN: Teilchendetektoren
B.I Wissenschaftsverlag, 1. Auflage, 1993
[AMS] C LAUDE A MSLER: Kern- und Teilchenphysik.
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[KLE]
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Teubner Studienbücher: Physik, 4te, überarbeitete Auflage, 2005.
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http://www.oilandgas.saint-gobain.com/uploadedFiles/SGoilandgas/
Documents/Detectors/Detectors-BrilLanCe-380.pdf
Stand 18.06.2011
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http://www.detectors.saint-gobain.com/uploadedFiles/SGdetectors/
Documents/Technical_Information_Notes/BrilLanCe-ScintillatorsPerformance-Summary.pdf
Stand 18.07.2011
[DEM] W OLFGANG D EMTRÖDER: Experimentalphysik 3
Atome, Moleküle und Festkörper
Springer Verlag Berlin, 4. Aufl., 2010.
[POV] P OVH , R ITH , S CHOLZ , Z ETSCHE: Teilchen und Kerne
Eine Einführung in die physikalischen Konzepte
Springer Verlag Berlin, 1. Aufl., 1993.
Literatur
27
[WIK] W IKIPEDIA . ORG: Abbildung „Verschiedene Strahlungsarten und ihre Abschirmung“ http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:
Alfa_beta_gamma_radiation.svg&filetimestamp=20091227215834
Stand 18.07.2011
Abbildungsverzeichnis
28
Abbildungsverzeichnis
1
Aufbau des PANDA-Detektors [TDR] . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Aufbau des EMC; rechts die Vorwärtsendkappe in grün; links das
2
Fass in blau [TDR] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
Schematischer Aufbau eines anorganischen Szintillators [KLE] . . . .
7
4
Schematischer Aufbau eines Photomultipliers [DEM] . . . . . . . . .
9
5
Lichtpulser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
6
Verschiedene Strahlungsarten und ihre Abschirmung . . . . . . . . .
12
7
Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
8
Schaltplan des Anodensignalteilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
9
Rack mit Verstärkern, Hochspannung und Split . . . . . . . . . . . .
14
10
Innenansicht der Metallkiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
11
Maße der Kapsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
12
Bild der Kapsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
13
Na22 Spektrum mit LaBr3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
14
Co60 Spektrum mit LaBr3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
15
Cs137 Spektrum mit LaBr3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
16
Na22-Spektrum mit CsI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
17
Logarithmisches Na22-Spektrum mit CsI . . . . . . . . . . . . . . . .
18
18
Der verwendete CsI-Szintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
19
Montiertes Referenzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
20
Referenzsystem mit Blick auf Quellenhalterung . . . . . . . . . . . . .
20
21
Fit des 511 keV Peaks von Natrium 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
22
Gaußfit des Lichtpulserpeaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Tabellenverzeichnis
29
Tabellenverzeichnis
1
Tabellarische Übersicht einiger Szintillatormaterialien . . . . . . . . .
8
2
Eigenschaften von PbWO4 und LaBr3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3
Abmessungen der Kapsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4
Lage des 511 keV Peaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5
Abweichung der Mittelwerte bei variabler Temperatur . . . . . . . .
24
Danksagung
Danksagung
Hiermit möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mich bei der Erstellung
dieser Arbeit unterstützt haben. Zunächst einmal danke ich Herrn Prof. Dr. Ulrich
Wiedner für die Möglichkeit, diese Bachelorarbeit an seinem Lehrstuhl anzufertigen. Des Weiteren bedanke ich mich für die Übernahme der Erst- bzw. Zweitkorrektur bei PD Dr. Fritz-Herbert Heinsius und Prof. Dr. Ulrich Wiedner. Für die fachliche Unterstützung während der Anfertigung dieser Arbeit möchte ich mich besonders bei Dr. Thomas Held, Dr. Matthias Steinke und Dipl.Phys. Christof Motzko
bedanken wie auch für die handwerkliche Unterstützung bei Petra Meyer. Auch
die Lehrer, die mich durch spannende Experimente und anschauliche Erklärungen
während meiner Schulzeit zum Physikstudium motiviert haben, sollen nicht unerwähnt bleiben. Zuletzt gilt der Dank meiner Familie, die mich in allen Belängen
stets unterstützt hat und ohne die ein Studium sicher nicht möglich gewesen wäre.
Für die grammatikalischen Korrekturen danke ich meiner Freundin Maren Steinhorst, Mario Fink und seiner Frau.