Markus Friedl (HEPHY Wien)
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
Klub A.L.F.
Strahlung aus dem All
2Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Inhalt
Kosmische StrahlungDie Anfänge der Radioaktivität
Entdeckung durch Victor Hess
Entstehung und Auswirkungen
DetektorenIonisations- & Funkenkammer
Szintillator & Photomultiplier
Zusammenfassung
Praktische Messungen
Strahlung aus dem All
3Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Kosmische StrahlungDie Anfänge der Radioaktivität
Strahlung aus dem All
4Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Radioaktivität: Die Anfänge
• 1896: Radioaktivität (“Uranstrahlen”) von Henri Becquerel entdeckt
• 1898: Radium von Marie & Pierre Curie entdeckt• 1900: Radon (Edelgas, Zerfallsprodukt von Radium) von
Friedrich Ernst Dorn entdeckt
Strahlung aus dem All
5Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Forschung in Wien
• 1910: Institut für Radiumforschung der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien gegründet (1090 Wien, Boltzmanngasse 3)– Weltweit erstes Institut zur Erforschung
der Radioaktivität– Erster Direktor Stefan Meyer, Assistent
Victor Hess– Später Institut für Mittelenergiephysik,
heute Stefan Meyer Institut für subatomare Physik
– Vereinigung mit HEPHY geplant
Strahlung aus dem All
6Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Terrestrische Strahlung – Radon (1)
• Uran-Radium-Zerfallsreihe:• 238U … 230Th 226Ra 222Rn … 206Pb• Spuren davon im Gestein (besonders Granit)
– Radon (Edelgas) diffundiert an Oberfläche
mSv/a
Strahlung aus dem All
7Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Terrestrische Strahlung – Radon (2)
• Schon früh Heilwirkung zugeschrieben, aber naturwissenschaftlich NICHT nachgewiesen
• Jährliche Strahlendosis:– Wien ~0.5mSv/a (~ österreichischer Durchschnitt)– Badgastein (Stolleneingang) ~1mSv/a– Heidenreichstein ~1.4mSv/a– Ramsar (Iran) ~200mSv/a (heiße Quellen)
Strahlung aus dem All
8Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Kosmische StrahlungEntdeckung durch Victor Hess
Strahlung aus dem All
9Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Victor Franz Hess (1)
• Geboren 1883 in Deutschfeistritz (Steiermark)• Assistent von Stefan Meyer am
Institut für Radiumforschung• 1912: Entdeckung der Höhenstrahlung• Ab 1919 Professor in Graz• Ab 1931 Professor in Innsbruck• Messstation am Hafelekar• Nobelpreis 1936• 1938 emigriert in die USA• Gestorben 1964 in Mount Vernon, New York
Strahlung aus dem All
10Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Victor Franz Hess (2)
• Messungen der Radioaktivität mit Ballonflügen bis 5km• Basierend auf Arbeiten von Karl Bergwitz 1908• 7. August 1912: Entdeckung der Höhenstrahlung• 2012:
100-Jahr-Jubiläum!
Strahlung aus dem All
11Markus Friedl (HEPHY Wien)
Meßprotokoll vom 7. August 1912
24. Mai 2011
Beob.Nr. Zeit
Mittlere Höhe Beobachtete Strahlung [ J ]
Temper-atur
[ ° C ]
RelativeFeuchtig-
keit[ % ]
Anmerk-ungenabsolut
[ m ]relativ[ m ]
App. IqI [ J ]
App. IIqII [ J ]
App. III
qIII[ J ] qIIIred[ J ]
115:15-16:15
156 0
17.3 12.9 - - - -
Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in Wien
216:15-17:15
15.9 11.9 18.4 18.4 - -
317:15-18:15
15.8 11.2 17.5 17.5 - -
406:45-07:45
1700 1400 15.8 14.4 21.1 25.3 + 6.4 60
507:45-08:45
2750 2500 17.3 13.3 22.5 31.2 +1.4 41
608:45-09:45
3850 3600 19.8 16.5 21.8 35.2 - 6.8 64
709:45-10:45
4400-5350
(4800)4700 40.7 31.8 - - - 9.8 40
810:45-11:15
4400 4200 28.1 22.7 - - - -
9 11:15-11:45 1300 1200 (9.7) (11.5) - - - -
1011:45-12:10
250 150 11.9 10.7 - - + 16.0 68
1112:25-13:12
140 0 15.0 11.6 - - +18.0 76
Strahlung aus dem All
12Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Victor Franz Hess (3)
• Victor Hess, “Über den Ursprung der durchdringenden Strahlung“, Physik. Zeitschr. 14, 610,1913:
„Alle diese Tatsachen deuten darauf hin, daß ein sehr großer Teil der durchdringenden Strahlung nicht von den bekannten
radioaktiven Substanzen in der Erde und der Atmosphäre herrührt.“
• Später “Höhenstrahlung”, heute “kosmische Strahlung”• Nobelpreis 1936 "for his discovery of cosmic radiation"
Strahlung aus dem All
13Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Kosmische StrahlungEntstehung und Auswirkungen
Strahlung aus dem All
14Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Primäre Kosmische Strahlung (KS) (1)
• Strahlung, die von außerhalb der Atmosphäre in diese einfällt
• Je nach Ursprung und Energie:– Solare KS (E < GeV)
• Sonnenwind Polarlicht• Solare Eruptionen: kurzfristige Zunahme
– Galaktische KS (GeV < E < EeV)• Supernova-Explosionen• Schwarze Löcher• Pulsare
– Extragalaktische KS (E > EeV)• Galaxien?• Quasare?
Strahlung aus dem All
15Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Primäre KS (2)
• Zusammensetzung– 90% Protonen– 9% -Teilchen– 1% Elektronen– <1% schwerere Kerne
• Starke Abnahme zu höheren Energien~ weiter entferntem Herkunftsort
Strahlung aus dem All
16Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Primäre KS (3)
• Häufigkeit N(E)~E-
• = 2.7 für E < 4·1015 eV • = 3 für E ~ 4·1015…5·1018 eV• < 3 für E > 1018 eV • >>3 für E > 1020eV
• GZK-Cutoff: Streuung von höchstenergetischen Protonen an blauverschobenen Photonen– Begrenzt E~1020eV– Freie Weglänge 160 Mio. Lichtjahre
= 2.7
g = 3.0 (Knie)
g < 3 (Knöchel)
Strahlung aus dem All
17Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Reaktionen in der Atmosphäre (1)
• Aufschauern in der Atmosphäre
• Atmosphären-Tiefe in Wechselwirkungs-Längen:– Elektronen: 27– Hadronen: 11
• Kaskaden ab 15~20km Höhe
• 1 Proton mit 1015eV erzeugt >1 Million Sekundärteilchen
Strahlung aus dem All
18Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Reaktionen in der Atmosphäre (2)
• Typische Reaktionen:– 0 + – + + +
– - - +
– Analog für geladene Kaonen
• Zerfall der Myonen:– + e+ + e +
– - e- + e +
• Durch große Masse nur wenig Bremsstrahlung• Anteil Myonen an geladenen Teilchen im Schauer:
– Luft: ~10%– Meeresniveau: ~80%
Strahlung aus dem All
19Markus Friedl (HEPHY Wien)
Myonen und Zeitdilatation
• Lebensdauer von + bzw. -: ~ 2.2 µs• Bei Lichtgeschwindigkeit wäre die klassische mittlere
Weglänge s = c· ~ 660 m
• Überleben bis Erdoberfläche nur dank Zeitdilatation und hoher Energie: s = c··
• Bei Entstehung in 10km Höhe ist >15 erforderlich, um bis auf Meeresniveau zu überleben
• E = m·c2· = 105.7 MeV · 15 ~ 1.6 GeV
• Daraus folgt: Solare KS gelangt kaum auf Erdoberfläche• Auf Meeresniveau vor allem galaktische KS
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
20Markus Friedl (HEPHY Wien)
Auswirkungen
• Abhängigkeit der Intensität von der Höhe
• Durchschnittliche Strahlungsbelastung auf Meeresniveau:– Kosmisch ~0.3mSv/a– Terrestrisch ~0.5mSv/a– Medizinisch ~1.5mSv/a
• Künstliche Beispiele:– Flug Wien-Tokyo ~0.1mSv– Ein CT ~20mSv
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
21Markus Friedl (HEPHY Wien)
Winkel-Abhängigkeit
• Je flacher der Winkel, desto länger ist die Atmospäre• Höhere -Zerfallswahrscheinlichkeit geringere Rate
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
22Markus Friedl (HEPHY Wien)
Schauer auf Erdoberfläche
• Schauer-Fläche abhängig von der Energie des primären Teilchens
• Experiment AUGER (Argentinien) besteht aus 1600 Messstationen mit je 1.5 km Abstand
• Messung von E>1017 eV (=0.1 EeV)
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
23Markus Friedl (HEPHY Wien)
Radiocarbon-Methode (14C-Datierung)
• Neutron aus der KS verwandelt Stickstoff in Kohlenstoff-Isotop:14N + n 14C + p
• Lebewesen tauschen ständig C mit Umwelt aus, daher gleiches Verhältnis 14C/12C wie in Luft
• Nach Tod kein Austausch mehr, 14C zerfällt mit t1/2~5730 a
• Bestimmung des Alters über Messung von 14C/12C-Verhältnis
• Anwendungsbereich: 300…60000 Jahre
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
24Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
DetektorenIonisations- & Funkenkammer
Strahlung aus dem All
25Markus Friedl (HEPHY Wien)
Ionisationskammer
• Historisch ältestes Instrument (z.B. von Victor Hess benutzt)
• Gasgefülltes Volumen mit elektrischem Feld
• Durchtretendes Teilchen ionisiert über elektrische Wechselwirkung das Gas
• Elektrisches Feld saugt Ladungen ab Strom
• Spezielle Bauformen, z.B. Geiger-Zähler
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
26Markus Friedl (HEPHY Wien)
Ionisationskammer – Eigenbau
• Grundsätzlich sehr einfacher Aufbau• Anleitungen im Web, z.B.
http://www.techlib.com/science/ion.html
• Pringles-Dose als Ionisationskammer?• Outreach-Projekt am HEPHY
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
27Markus Friedl (HEPHY Wien)
Funkenkammer
• Gasgefülltes Volumen mit Platten, die abwechselnd auf Hochspannung und Erde liegen (=elektrisches Feld)
• Ionisation durch Teilchenspur, Sekundärionisation (Lawineneffekt) bewirkt Funken entlang Spur
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
28Markus Friedl (HEPHY Wien)
Funkenkammer
• In der Praxis wird Hochspannung nur angelegt, wenn gerade ein Teilchendurchtritt passiert
• Messung mittels Szintillatoren und elektronischer Steuerungslogik
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
29Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
DetektorenSzintillator & Photomultiplier
Strahlung aus dem All
30Markus Friedl (HEPHY Wien)
Was ist ein Szintillator?
• Anregung bei Teilchendurchgang
• Abgabe der Energie in Form von Licht
• Sehr schnell: <10 ns• Kann daher für
zeitkritische Messungen benutzt werden
24. Mai 2011
• Verschiedene Kristalle (z.B. Natriumjodid) oder organische Stoffe (z.B. Plastik-Szintillatoren mit Wellenlängenschieber)
Strahlung aus dem All
31Markus Friedl (HEPHY Wien)
Typische Anwendung: Trigger
• „Trigger“ einer Funkenkammer
• Szintillatoren messen instantan Teilchendurchgang und aktivieren die Steuerlogik, welche die Hochspannung einschaltet
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
32Markus Friedl (HEPHY Wien)
Wie misst man den Lichtblitz?
• Üblicherweise Tausende bis Zehntausende Photonen• Verbindung über Lichtleiter zu Photomultiplier• Szintillator und Lichtleiter sind mit Spiegelfolie
eingewickelt, um Totalreflexion zu erreichen• Gesamte Anordnung muss völlig lichtdicht verpackt
sein, da schon einzelne Photonen des Tageslichts stören würden
• Typische Anordnung:
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
33Markus Friedl (HEPHY Wien)
Photomultiplier (PM)-Röhren (1)
• Photon schlägt Elektron aus Photokathode (Photoeffekt)• Dynoden mit steigendem Potential beschleunigen
Elektronen und erzeugen weitere Sekundärelektronen
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
34Markus Friedl (HEPHY Wien)
PM-Röhren (2)
• Verschiedenste Größen und Bauarten• Verstärkung abhängig von Anzahl der Dynoden
– Größenordnung ~106...107
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
35Markus Friedl (HEPHY Wien)
Photomultiplier aus Halbleitern
• Herkömmliche PMs haben einige Nachteile (Größe, Hochspannung, Magnetfeld-Empfindlichkeit)
• Halbleiter-Dioden knapp vor Lawinen-Durchbruch• APD = Avalanche Photodiode• Aktive Fläche bis 1 cm2, Verstärkung ~100• Betriebsspannung < 500 V
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
36Markus Friedl (HEPHY Wien)
SiPM = Silicon Photomultiplier
• Array von vielen parallelen APDs auf einem Chip• (Diskretisiertes) „Analog“-Signal je nach Anzahl der
einfallenden Photonen• Betriebsspannung < 100 V (Geiger-Modus)• Messung einzelner Photonen möglich
24. Mai 2011
1 23
4
5
6 photo electrons
Strahlung aus dem All
37Markus Friedl (HEPHY Wien)
Vergleich der Photodetektoren
Röhre APD SiPM
Verstärkung 106…107 ~100 105…106
Betriebsspannung 1…2 kV 300…500 V <100 V
Aktive Fläche <200 cm2 <100 mm2 ~1 mm2
Dunkelrate ~1 kHz - ~1 MHz
Photon Efficiency ~30% ~80% ~50%
Magnetfeld-Toleranz
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
38Markus Friedl (HEPHY Wien)
Problem Dunkelrate?
• Thermisches Rauschen: Ein einzelner (Si)PM liefert auch bei völliger Dunkelheit Pulse
• Trick: Man verwendet 2 (oder mehr) (Si)PMs und verknüpft deren Signale mit logisch UND (Koinzidenz)
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
39Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Zusammenfassung
Strahlung aus dem All
40Markus Friedl (HEPHY Wien)
Zusammenfassung
• Anfänge der Radioaktivität um 1900– Henri Becquerel, Marie & Pierre Curie– Institut für Radiumforschung in Wien (seit 1910)– Kosmische Strahlung (KS): Victor Hess (1912, Nobelpreis 1936)
• Kosmische Strahlung– Solare (<GeV), Galaktische (GeV…EeV), Extragalaktische (>Eev)– Teilchenschauer in Atmosphäre– Hauptsächlich Myonen auf Erdoberfläche
• Nachweis durch Ionisations- & Funkenkammern– Ionisation von Gas bei Teilchendurchgang
• Moderner: Szintillator & Photomultiplier– Erzeugung von Lichtblitzen bei Teilchendurchgang
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
41Markus Friedl (HEPHY Wien)24. Mai 2011
Praktische Messungen
Strahlung aus dem All
42Markus Friedl (HEPHY Wien)
Meßaufbau
24. Mai 2011
SzintillatorenPhotomultiplier
Elektronik
PC
HV-Supply
Strahlung aus dem All
43Markus Friedl (HEPHY Wien)
Anordnung der Szintillatoren
24. Mai 2011
wird heute nicht verwendet
Strahlung aus dem All
44Markus Friedl (HEPHY Wien)
Übung 1
• Betrachten der PM-Signale am Oszilloskop• Messung der Dunkelrate (+Myonen) der einzelnen PMs
in Abhängigkeit der angelegten Hochspannung• Vergleich mit der Koinzidenz-Rate
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
45Markus Friedl (HEPHY Wien)
Übung 2
• Messung der Koinzidenz-Rate pro Sekunde mit Zähler• Histogrammieren von 100 Messungen• Welche Verteilung ergibt sich?• Fitten der Verteilung und Bestimmung des relevanten
Parameters
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
46Markus Friedl (HEPHY Wien)
Übung 3
• Messung der Wartezeit zwischen 2 Myonen• Histogrammieren von 100 Messungen• Welche Verteilung ergibt sich?• Fitten der Verteilung und Bestimmung des relevanten
Parameters
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
47Markus Friedl (HEPHY Wien)
Myonen-Experiment auf der TU (made at HEPHY)
24. Mai 2011
Strahlung aus dem All
Vielen Dank fürIhre Aufmerksamkeit.