In der vorliegenden Ausarbeitung wird ein neuer Messaufbau zum Nachweis kosmischer Myonen erstellt, getestet und ausgewertet, sodass dieser später im Höhenstrahlungslabor des Instituts für Kernphysik der Universität Köln den Studenten im Rahmen des Praktikums zur Verfügung gestellt wird. Zu Beginn werden die aufgebauten Detektoren auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft, mögliche Fehlerquellen analysiert und der Aufbau entsprechend optimiert. Es wird getestet, ob Ereignisse außerhalb des Rauschens detektiert und so Messungen der Myonenzählrate durchgeführt werden können.
Im zweiten Teil werden die Kamiokanne-Detektoren mit Hilfe einer Koinzidenzmessung zur Bestimmung der Winkelverteilung der detektierten Myonen und des Ost-West-Effekts verwendet, wobei vorher gewährleistet werden muss, dass die Kamiokannen zur Koinzidenzmessung geeignet sind. Dafür werden weitere Elektronikmodule in den Signalweg integriert und der Schwellwert zur Signalerfassung im Constant-Fraction-Discriminator angepasst. Im endgültigen Versuchsaufbau, der von der Feinmechanikwerkstatt des IKP konstruiert wurde, können Messungen in Richtung Osten und Westen simultan aufgenommen werden, sodass mehr Zeit, im Rahmen der Praktikumszeit, für weitere Messreihen zur Verfügung steht.
Tagtäglich durchdringen unseren Körper physikalische Teilchen, ohne dass unser Körper dies bemerkt. Letztendlich ist unsere Erde einem wahren Bombardement ausgesetzt. Eine Teilchenart, die in unserem Alttagswissen wenig verankert ist, uns jedoch Sekunde für Sekunde durchdringt, ist das Myon, das wir im Folgenden analysieren wollen.
Dennoch bleibt erst einmal die Frage, was hat eine Kaffeekanne mit Physik zu tun. Obwohl unser Körper kein Sinnesorgan für Myonen besitzt und die Detektion physikalischer Teilchen oft sehr aufwendig ist, soll in dieser experimentellen Ausarbeitung aufgezeigt werden, dass mit einer vergleichsweise einfachen Detektoranordnung aus Kaffekannen der Nachweis von Myonen aus der Höhenstrahlung möglich ist.
Wassergefüllte Cerenkov-Detektoren sind in der Forschung zur Teilchenphysik allgegenwärtiges Forschungsinstrument. Im Folgenden wird eine kleinere Ausführung erstellt, die prinzipiell jedoch den großen Vorbildern ähnelt.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Motivation
- 2 Theoretische Grundlagen
- 2.1 Einführung, Standardmodell und Wechselwirkungen
- 2.2 Zusammengesetzte Teilchen
- 2.3 Kosmische Strahlung
- 2.3.1 Einführung
- 2.3.2 Kosmische Strahlung – Primärstrahlung
- 2.3.3 Kosmische Strahlung - Sekundärstrahlung
- 2.3.4 Allgemeine Abhängigkeit des Intensitätsverlaufs der geladenen Komponente von Energie und Zenitwinkel
- 2.3.5 Inklinationseffekte
- 2.3.6 Energieverlust der durchdringenden Komponente
- 2.4 Čerenkov-Effekt
- 3 Versuchsaufbau
- 3.1 Dewargefäß
- 3.2 Lichtwellenleiter
- 3.3 Photomultiplier
- 3.3.1 Photoelektrischer Effekt
- 3.3.2 Sekundärelektronenvervielfacher
- 3.4 Elektronik
- 3.4.1 Signalauswertung mit Oszilloskop
- 3.4.2 HV
- 3.4.3 Timing Filter Amplifier
- 3.4.4 MCA
- 3.4.5 Constant Fraction Discriminator
- 3.4.6 Coincidence Unit
- 3.4.7 Counter
- 3.4.8 Signalweg
- 4 Auswertung der Messwerte
- 4.1 Erste Messungen: Impulshöhenspektren mit dem MCA
- 4.1.1 Dichtigkeitsprüfung
- 4.1.2 Berücksichtigung des Untergrunds
- 4.1.3 Vergleichsmessungen der verschiedenen Thermoskannen und PMTS
- 4.2 Messung der Zählrate mit NIM-Elektronik
- 4.2.1 Messung zur Ermittlung der Hochspannung
- 4.2.2 Anpassung des Thresholds des CFD
- 4.2.3 Koinzidenzmessung zur Winkelabhängigkeit und Inklinationseffekte
- 5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, einen neuen Messaufbau zum Nachweis kosmischer Myonen zu entwickeln, zu testen und auszuwerten. Dieser soll später Studenten im Rahmen eines Praktikums zur Verfügung stehen. Es werden die Funktionstüchtigkeit der Detektoren überprüft, Fehlerquellen analysiert und der Aufbau optimiert. Die Messungen der Myonen-Zählrate und die Winkelverteilung der detektierten Myonen mithilfe einer Koinzidenzmessung stehen im Fokus.
- Nachweis kosmischer Myonen mit einfachen Mitteln
- Entwicklung und Optimierung eines Messaufbaus
- Messung der Myonen-Zählrate
- Bestimmung der Winkelverteilung der Myonen
- Analyse von Inklinationseffekten
Zusammenfassung der Kapitel
1 Motivation: Diese Einleitung beschreibt die Faszination der Teilchenphysik und die allgegenwärtige, aber unsichtbare, Präsenz von Myonen. Sie führt in das Experiment ein, welches den Nachweis von Myonen aus Höhenstrahlung mit einer vergleichsweise einfachen Detektoranordnung (Wasser gefüllte Kaffeekannen als Čerenkov-Detektoren) zum Ziel hat. Der Aufbau soll später für studentische Praktika genutzt werden. Der Fokus liegt auf der Machbarkeit des Nachweises und der Optimierung des Aufbaus.
2 Theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel liefert die theoretischen Grundlagen für das Experiment. Es beginnt mit einer Einführung in das Standardmodell der Teilchenphysik, beschreibt die verschiedenen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen (elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung). Der Schwerpunkt liegt auf dem Myon als untersuchtes Teilchen und seiner Entstehung in der kosmischen Strahlung. Der Čerenkov-Effekt, der Grundlage des Detektors, wird erklärt.
3 Versuchsaufbau: Dieser Abschnitt detailliert den Aufbau des Experiments. Es werden die verwendeten Komponenten, wie Dewargefäße, Lichtwellenleiter, Photomultiplier und die Elektronik (einschließlich Oszilloskop, Hochspannungsversorgung, Timing Filter Amplifier, MCA, Constant Fraction Discriminator, Coincidence Unit und Counter) genau beschrieben. Der Aufbau der Messapparatur und die Funktionsweise der einzelnen Komponenten werden im Detail erläutert.
4 Auswertung der Messwerte: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der durchgeführten Messungen beschrieben und ausgewertet. Zuerst werden die Impulshöhenspektren mit dem MCA analysiert, die Dichtigkeitsprüfung und die Berücksichtigung des Untergrundrauschens erläutert. Im zweiten Teil werden die Messungen der Zählrate mit der NIM-Elektronik vorgestellt, die Bestimmung der Hochspannung, die Anpassung des Thresholds im Constant-Fraction-Discriminator und die Koinzidenzmessung zur Bestimmung der Winkelabhängigkeit der detektierten Myonen und des Ost-West-Effekts.
Schlüsselwörter
Myonen, Kosmische Strahlung, Čerenkov-Effekt, Teilchenphysik, Standardmodell, Detektoraufbau, Myonen-Zählrate, Winkelverteilung, Koinzidenzmessung, Inklinationseffekte, Hochspannungsversorgung, NIM-Elektronik.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Bachelorarbeit: Nachweis kosmischer Myonen mit einfachen Mitteln
Was ist das Thema der Arbeit?
Die Bachelorarbeit befasst sich mit dem Nachweis kosmischer Myonen mithilfe eines einfachen, kostengünstigen und für studentische Praktika geeigneten Messaufbaus. Der Fokus liegt auf der Entwicklung, Optimierung und Auswertung dieses Aufbaus, sowie der Messung der Myonen-Zählrate und deren Winkelverteilung.
Welche Detektoren werden verwendet?
Als Detektoren werden mit Wasser gefüllte Dewargefäße (Kaffeekannen) verwendet, die den Čerenkov-Effekt ausnutzen. Das entstehende Licht wird über Lichtwellenleiter an Photomultiplier geleitet, welche die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln.
Welche Elektronik wird eingesetzt?
Die verwendete Elektronik umfasst ein Oszilloskop zur Signalauswertung, eine Hochspannungsversorgung für die Photomultiplier, einen Timing Filter Amplifier, einen Multikanal-Analysator (MCA), einen Constant Fraction Discriminator (CFD), eine Koinzidenz-Einheit und einen Zähler (Counter). Diese Komponenten bilden zusammen das NIM-System zur Datenaufnahme und -verarbeitung.
Welche theoretischen Grundlagen werden behandelt?
Die Arbeit behandelt die relevanten theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik, insbesondere das Standardmodell, die Eigenschaften von Myonen, die Entstehung kosmischer Strahlung und den Čerenkov-Effekt. Es wird detailliert auf die Wechselwirkungen von Teilchen und deren Energieverlust eingegangen.
Wie wird die Myonen-Zählrate gemessen?
Die Myonen-Zählrate wird sowohl mit dem MCA zur Analyse von Impulshöhenspektren als auch mit der NIM-Elektronik, inklusive Koinzidenzmessung, bestimmt. Die Koinzidenzmessung ermöglicht die Bestimmung der Winkelabhängigkeit der detektierten Myonen und die Untersuchung von Inklinationseffekten.
Welche Messungen werden durchgeführt?
Es werden Messungen zur Impulshöhenverteilung, zur Zählrate in Abhängigkeit von der Hochspannung und dem Threshold des CFD, sowie Koinzidenzmessungen zur Bestimmung der Winkelabhängigkeit und der Inklinationseffekte durchgeführt. Eine Dichtigkeitsprüfung des Aufbaus gehört ebenfalls dazu.
Welche Ergebnisse werden präsentiert?
Die Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Impulshöhenspektren, die optimierte Hochspannungseinstellung, den angepassten Threshold des CFD und die Daten zur Winkelabhängigkeit der detektierten Myonen, inklusive der Analyse von Inklinationseffekten. Fehlerquellen werden analysiert und der Aufbau optimiert.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Schlüsselwörter sind: Myonen, Kosmische Strahlung, Čerenkov-Effekt, Teilchenphysik, Standardmodell, Detektoraufbau, Myonen-Zählrate, Winkelverteilung, Koinzidenzmessung, Inklinationseffekte, Hochspannungsversorgung, NIM-Elektronik.
Welches Ziel verfolgt die Arbeit?
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung, der Test und die Auswertung eines neuen Messaufbaus zum Nachweis kosmischer Myonen, der später Studenten im Rahmen eines Praktikums zur Verfügung stehen soll. Die Arbeit soll die Machbarkeit des Nachweises mit einfachen Mitteln demonstrieren und den Aufbau optimieren.
Wo finde ich detaillierte Informationen zum Versuchsaufbau?
Kapitel 3 der Arbeit beschreibt detailliert den Versuchsaufbau, inklusive der verwendeten Komponenten wie Dewargefäße, Lichtwellenleiter, Photomultiplier und der gesamten Elektronik (Oszilloskop, Hochspannungsversorgung, Timing Filter Amplifier, MCA, Constant Fraction Discriminator, Coincidence Unit und Counter).
- Arbeit zitieren
- Tobias Kutsch (Autor:in), 2015, Messung der Kosmischen Höhenstrahlung mit Kamiokanne-Detektoren, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/369969
