Compton Streuung

Die drei wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen
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1. Germanium-Detektoren
Wechselwirkung im Ge Kristall:
 Photoeffekt (niedrige Energie)
ComptonStreuung
Streuung
 Compton
(mittlere Energie)
+e- (hohe
e+e- (hohe
Energie)
 Paarerzeugung evon
Energie)
Leitungsband
0.7 eV
3 eV
Valenzband
Zahl der Elektronen-Loch Paare für 1 MeV, N = 106 / 3 = 3 105
Energieauf lösung  N N  0.0018  1.8 keV  E γ
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Compton unterdrückte Germanium-Detektoren
Wechselwirkung im Ge Kristall:
 Photoeffekt (niedrige Energie)
 Compton Streuung
(mittlere Energie)
 Paarerzeugung e+e- (hohe Energie)
peak-to-total ratio
 unsuppressed
P/T~0.15
 Compton suppressed
P/T~0.6
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EUROBALL (Legnaro / Strasbourg)
15 seven-fold
Cluster detectors
30 coaxial
detectors
26 four-fold
Clover detectors
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Probleme beim Nachweis der γ-Strahlung
E  2 keV
1. bewegte γ-Quelle
nach Doppler-shift Korrektur
2. gleichzeitige Emission vieler γ-Quanten
→ γ-Ereignisse werden falsch addiert
Lösung: elektrisch segmentierte Detectoren
kleiner Öffnungswinkel
gutes Tracking der γ-Strahlung
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Gamma-Ray Tracking
Compton Streuung
Pulsform-Analyse von 37 Signalen
→ (x, y, z, t, E)
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2. Silizium-Detektoren
Das Prinzip des Teilchennachweises
α-Teilchen
 Ionisation des Detektormaterials (Bethe-Bloch-Gleichung)
→ Erzeugung von freien Ladungsträgern
 Ladungssammlung in einem elektrischen Feld
 Elektronische Verstärkung und Registrierung des Signals
 Anzahl der erzeugten Ladungsträger ist proportional der
deponierten Energie.
→ Energiemessung (Spektroskopie)
 Segmentierung der Elektroden oder Messung der Driftzeit
erlaubt Ortsauflösung
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Prinzip eines Microstrip-Detektors
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Wiederholung: Bändermodell
Materialeigenschaften
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Dotierung am Beispiel von Si
Bei Einbau eines 5-wertigen Atoms (P, As, Sb)
in ein Kristallgitter aus 4-wertigen Si-Atomen
bleibt das 5. Valenzelektron des Fremdatoms
ohne Bindungspartner. Donator, n-Dotierung
Bei Einbau eines 3-wertigen Atoms (B, Al, Ga, In)
in ein Kristallgitter aus 4-wertigen Si-Atomen
kann eine Bindung eines angrenzenden Si-Atoms
nicht abgesättigt werden. Akzeptor, p-Dotierung
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Der p-n Übergang
Bringt man einen n- und einen p-Leiter in Kontakt, so muß im thermischen Gleichgewicht die Fermi-Energie identisch sein.
Die Anpassung der zuvor unterschiedlichen Fermi-Niveaus wird erreicht durch die Diffusion der jeweiligen Majoritätsladungsträger in den anders dotierten Bereich. Dadurch baut sich am Übergang eine Raumladung auf, welche das weitere
Eindringen von e- und Löchern in die Übergangszone verhindert. Es entsteht somit ein stabiler ladungsträgerfreier Bereich
(Verarmungszone).
E
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3. Schema eines einfachen Gasdetektors
Wichtige Kenngrößen:
 mittlerer Energieverlust dE/dx
 mittleres effektives Ionisationspotenzial pro Hüllenelektron
 Energieverlust pro erzeugten Elektron-Ion Paares
 mittlere Anzahl der primären und der gesamten Elektron-Ion Paaren
 Stoßionisation: wichtig für die Gasverstärkung des Detektors
 Wirkung elektronegativer Gase: wichtig für die Nachweiswahrscheinlichkeit
 Diffusion: beeinflußt die Ortsauflösung des Detektors
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Gas-Ionisations-Zähler (Arbeitsbereiche)
Neben der Detektorgeometrie und der Wahl des
Zählgases bestimmt die angelegte Hochspannung
wesentlich den Betriebsmodus eines Gasdetektors.
Man kann in Abhängigkeit von der externen
Hochspannung bestimmte Arbeitsbereiche
angeben.
 Rekombinationseffekte
 Ionisationsbereich
 Gasverstärkung:
e- Energie > Ionisationsenergie
Proportionalbereich < 600 V
Multiplikation ist linear
Größere Spannung > 600 V
Multiplikation wird nichtlinear
Raumladung der pos. Ionen
 Geiger-Müller Bereich
Positive Raumladung begrenzt
E-Feldstärke, keine weitere Verstärkung,
gleiche Amplitude
 Entladungsbereich
Typisches Gas P10: 90% Ar und 10% CH4
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Ionisationskammer
Eine ideale Ionisationskammer wird in dem
Spannungsbereich betrieben, in welchem
einerseits die erzeugte Ladung vollständig
gesammelt wird, andererseits aber noch
keine Sekundärionisation stattfindet (also
keine Gasverstärkung).
Für elektr. Feldstärken von 500 V/cm und
für typische Driftgeschwindigkeiten erhält
man bei 10 cm Driftstrecke Sammelzeiten
für e- von 2 μs und für Ionen von etwa 2 ms.
Bildfolge:
Signal für ein e--Ion Paar in einer planaren Ionisationskammer
Das Signal wird durch die Bewegung der Elektronen und Ionen im elektrischen Feld induziert.
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Proportionalzähler
Proportionalzähler nutzen Gasverstärkung
durch Sekundärionisation für die Signalerzeugung.
Die dafür übliche Geometrie ist eine
zylindrische Kathode mit zentralem
Anodendraht. Das dabei entstehende E-Feld
ist ~1/r, d.h. in nächster Umgebung vom
Anodendraht treten lokal sehr hohe
Feldstärken auf. Für r ≤ rkrit sind Sekundärionisation möglich
Querschnitt durch ein Proportionalzählrohr und elektrische
Feldstärke E in Abhängigkeit vom Abstand zum Anodendraht.
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Proportionalzähler
 Durch Primärionisation erzeugte Elektronen driften auf den Anodendraht zu und gelangen so in
Bereiche hoher lokaler Feldstärke.
 Sobald die elektrische Feldstärke Ekrit übersteigt, kommt es zur Sekundärionisation. Infolgedessen
bildet sich in der Nähe des Anodendrahtes eine Ladungslawine aus.
 Die dabei erzeugten Elektronen driften schnell auf den Anodendraht zu und werden dort abgeleitet,
während die Ionen sich langsam vom Anodendraht entfernen und zur Kathode wandern.
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Vieldraht-Proportionalkammer MWPC
Georges Charpak
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Vieldraht-Proportionalkammer (x-y)
Will man eine zweidimensionale Ortsbestimmung,
so kann man dies durch Segmentierung der
Kathode erreichen. Die Kathode kann dann z.B.
durch parallele Streifen, rechteckige
Kathodenplättchen („pads“) oder als Lage von
gespannten Drähten ausgeführt sein.
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Zeitprojektionskammer TPC
Prinzip: Im Gasvolumen erzeugte e- driften zu den Endflächen. Die dortigen Detektoren (MWPCs) messen
den Ort und die Ankunftszeit der e-, wodurch ein 3-dim. Bild der Teilchenspur rekonstruiert werden kann.
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4. Szintillationsdetektoren
Organische Szintillatoren:
Plastik-Szintillatoren
Anorganische Szintillatoren:
NaI, CsI, BaF2, BGO
Bei Szintillatoren handelt es sich um Materialien in denen die einfallende Strahlung Elektronen in
energetisch höhere Zustände anregt, die durch Emission von Licht abgeregt werden.
(mittlerer Energieverlust, welcher zur Erzeugung eines Photons nötig ist: Anthracen C14H10 60eV, Plastik 100 eV, NaI 25 eV, BGO 300 eV)
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Szintillator-Lichtleiter-Photomultiplier
Lichtleiter:
Photomultiplier sind oft über Lichtleiter an den Szintillator gekoppelt.
Grundprinzip: Totalreflektion an der Oberfläche des Lichtleiters
Effizienz des Lichtleiters wird limitiert durch Winkel für Totalreflexion.
Szintillatorplatte mitangeklebtem PMMA-Lichtleiter und
einer Eichquelle für ein Gammastrahlen-Experiment.
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Photovervielfacher-Röhren
Umwandlung von Licht in
elektrisches Signal.
Quanteneffizienz einer
typischen Photokathode: 30%
Nachweis von Szintillationsund Tscherenkow-Licht
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