Teilchendetektoren

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Einleitung

Teilchendetektoren, Geräte oder Anlagen zum Nachweis und zur Erforschung subatomarer Teilchen bzw. Elementarteilchen (siehe Atom; Kernenergie). Auf der einen Seite können Detektoren so klein und so einfach aufgebaut sein wie z. B. der Geigerzähler. Auf der anderen Seite können sie auch so groß und komplex sein wie Funken- oder Blasenkammern. Diese sind mitunter so groß wie ein Zimmer oder eine Wohnung.

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Ionisationskammer

Dies war einer der ersten Detektortypen, die in der Kernphysik angewandt wurden. Eine Ionisationskammer besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen, mit einem Gas gefüllten Behälter. Dieser ist mit zwei Elektroden versehen, die auf unterschiedliche elektrische Potentiale eingestellt werden. Je nach der Art der Kammer sind die Elektroden zwei parallele Platten oder zwei koaxiale Zylinder. Es kann auch eine der Kammerwände als eine Elektrode dienen, wobei die andere beispielsweise aus einem Draht oder einem Stab besteht, der in die Kammer hineinragt. Wenn energiereiche Teilchen oder Strahlen in die Kammer gelangen, wird das Gas zwischen den Elektroden ionisiert. Die Ionen werden von der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen (negative Ionen bewegen sich zur positiven Elektrode und umgekehrt). Daraus resultiert ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden, der elektronisch verstärkt und gemessen werden kann. Man kann auch die in einer bestimmten Zeitspanne geflossene Ladung mit einem Elektrometer bzw. mit einem Elektroskop messen, das mit einer entsprechenden Skala versehen ist.

Von einem Zähler spricht man, wenn die Ionsationskammer so aufgebaut ist, dass die eintreffenden ionisierenden Teilchen oder Strahlungsquanten gezählt werden können. Der Geiger-Müller-Zähler ist eines der vielseitigsten und am häufigsten verwendeten Geräte dieser Art. Den ersten Proportionalitätszähler entwickelte Geiger bereits 1908. 1913 folgte der so genannte Spitzenzähler. Im Jahr 1928 verbesserte er schließlich gemeinsam mit seinem Schüler Erwin Wilhelm Müller die Konstruktion von 1913 zum Geiger-Müller-Zähler. Das einfache Modell eines Geiger-Müller-Zählers ist mit einem Gas oder einer Gasmischung bei geringem Druck gefüllt. Die beiden Elektroden sind die dünne, metallische, zylindrisch geformte Rohrwand (Kathode) und ein dünner Wolframdraht (Anode; Zähldraht) entlang der Rohrachse. Zwischen beiden Elektroden wird ein starkes elektrisches Feld aufrechterhalten, das die entstehenden Ionen beschleunigt. Die eintreffenden radioaktiven Strahlen bewirken eine Ionisation des Gases. Die Ionen stoßen mit Gasatomen zusammen (Stoßionisation) und schlagen aus ihnen Elektronen (Sekundärelektronen) heraus. Dadurch bilden sich immer mehr neue Ionen. Die Sekundärelektronen verursachen an dem Zähldraht einen elektronisch verstärkbaren Stromstoß. Dieser elektrische Impuls wird anschließend auf einen Lautsprecher oder eine elektronische Zähleinrichtung geführt.

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Spurkammern

Hierbei handelt es sich um Detektoren, in denen die zu untersuchenden Teilchen eine Spur hinterlassen. Dazu zählen z. B. die Blasenkammer, die Gasspurkammer (Gase) sowie die Nebelkammer (Gas-Dampf-Gemische) und auch Festkörperspurdetektor (mit Hilfe von Kernspuremulsionen). Kernspuremulsionen ähneln photographischen Emulsionen, sind aber im Gegensatz zu diesen dicker und weniger lichtempfindlich. Mit der Emulsion ist eine meist organische Folie (z. B. Cellulosenitrat) beschichtet. Diese Folie stellt im Prinzip schon einen Festkörperspurdetektor dar. Ein in die Emulsion eindringendes Teilchen ionisiert entlang seiner Bahn die Silberatome in den Körnchen der Emulsion und hinterlässt eine Spur, die nach dem Entwickeln unter dem Mikroskop betrachtet werden kann. Mit diesem Detektortyp lassen sich Spaltprodukte und leichte Teilchen aus Kernreaktionen nachweisen, wobei die Teilchen eine niedrige Energie besitzen. g-Strahlung lässt sich mit diesem Detektor nicht nachweisen.

3.1

Nebelkammer

Das Funktionsprinzip der Nebelkammer entwickelte der englische Physiker C. T. R. Wilson bereits im Jahr 1896. Jedoch vergingen bis zur praktischen Umsetzung der Idee einige Jahre. Wilson stellte seine technische Neuheit erst 1912 der Fachwelt vor. Eine Nebel- oder Wilsonkammer besteht aus einem Behälter von einigen Zentimetern Durchmesser, dessen eine Seite mit einer Glasplatte und dessen andere Seite mit einem beweglichen Kolben verschlossen ist. Der Kolben lässt sich rasch bis zum Anschlag herausziehen. Dadurch nimmt das Kammervolumen schlagartig zu. In der Kammer befindet sich staubfreie Luft, die mit Wasserdampf gesättigt ist. Die Sättigung darf jedoch nicht so stark sein, dass sich Nebel bildet. Bei plötzlichem Expandieren sinkt die Temperatur des Gases, und die Luft ist nun an Wasserdampf übersättigt. Solange keine Staubteilchen oder Ionen vorhanden sind, kann der Dampf nicht zu Nebeltröpfchen kondensieren. Geladene Elementarteilchen, die in die Kammer eintreten, erzeugen aus den Molekülen des Gases Ionen (siehe Ionisierung). Daher hinterlässt jedes durch die Kammer fliegende Teilchen eine Spur von Ionen, an denen der übersättigte Wasserdampf zu Tröpfchen kondensiert. Diese von den Wassertröpfchen nachgezeichnete Spur wird zur weiteren Auswertung beispielsweise fotografiert.

Die Flugbahn eines elektrisch geladenen Teilchens wird durch ein Magnetfeld gekrümmt. Das Ausmaß der Krümmung, also der Bahnradius, hängt u. a. von der Energie bzw. der Geschwindigkeit des betreffenden Teilches ab. Um diese Parameter (Geschwindigkeit und Energie) zu bestimmen, bringt man Nebelkammern deshalb meist in ein starkes Magnetfeld. Dann sind die Bahnen von geladenen Teilchen unterschiedlicher Ladung in entgegengesetzten Richtungen gekrümmt. Misst man außerdem den Radius der Bahnen, so kann man das Verhältnis von Ladung und Geschwindigkeit der betreffenden Teilchen ermitteln. Schwere Teilchen (darunter das a-Teilchen) ergeben dicke, kurze Spuren, und leichtere Teilchen (darunter Protonen) liefern Spuren mittlerer Stärke. Die noch leichteren Elektronen (siehe β-Teilchen) hinterlassen dünne und unregelmäßig geformte Spuren. In einer späteren Weiterentwicklung, der so genannten Diffusionsnebelkammer, wird zwischen warmen und kalten Teilen der Kammer eine permanente Schicht mit dem übersättigten Dampf einer organischen Flüssigkeit erzeugt. Diese Schicht gewährleistet, dass jederzeit eindringende Teilchen sichtbar werden. Inzwischen wurde die Nebelkammer fast vollständig durch die Blasenkammer und die Funkenkammer verdrängt. Jedoch ermöglichte sie viele bedeutende Entdeckungen in der Kernphysik.