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Einleitung

Teilchendetektoren, Geräte oder Anlagen zum Nachweis und zur Erforschung subatomarer Teilchen bzw. Elementarteilchen (siehe Atom; Kernenergie).

Die Arbeitsweise der meisten Teilchendetektoren beruht auf Wechselwirkungen der zu untersuchenden Teilchen mit dem Material im Messbereich des Detektors, d. h., die Teilchen werden nicht direkt, sondern über Sekundärstrahlung oder -teilchen oder Spuren nachgewiesen, die durch die Wechselwirkungen entstehen. Teilchendetektoren können so klein sein wie z. B. tragbare Geigerzähler, es gibt aber auch riesige Anlagen, die so groß wie Häuser sind. Solche Anlagen gibt es etwa am CERN bei Genf und am DESY in Hamburg. Zu den ersten Detektortypen, die in der Kernphysik verwendet wurden, gehören die Ionisationskammern.

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Ionisationskammer

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

Bei Spurkammern 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.

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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.

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Blasenkammer

Die Blasenkammer wurde 1952 von dem amerikanischen Physiker Donald Glaser erfunden und ähnelt in ihrer Funktionsweise der Nebelkammer. In einer Blasenkammer wird eine Flüssigkeit unter Druck bei einer Temperatur knapp unter dem Siedepunkt gehalten. Der Druck wird unmittelbar vor dem Eintreffen von Teilchen plötzlich verringert. Durch den Druckabfall wird die Siedetemperatur verringert; jedoch kann die Flüssigkeit nicht augenblicklich sieden, sondern erst, wenn Verunreinigungen oder Störungen vorliegen. Letztere werden z. B. durch ein hoch energetisches Teilchen hervorgerufen, und es entstehen entlang dessen Flugbahn durch die Flüssigkeit feine Bläschen. Wenn man direkt nach dem Durchflug des Teilchens die Kammer fotografiert, erhält man aufgrund der Bläschen ein Abbild der Teilchenbahn. Ähnlich wie die Nebelkammer kann man auch die Blasenkammer in einem Magnetfeld betreiben, um die Energien geladener Teilchen zu bestimmen. Viele Blasenkammern werden inzwischen mit supraleitenden Magneten anstelle der gewöhnlichen versehen. Mit Hilfe von Blasenkammern, die mit flüssigem Wasserstoff gefüllt sind, kann man die Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Teilchen und den Wasserstoffkernen untersuchen.

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Funkenkammer

In einer Funkenkammer ionisieren eintreffende hoch energetische Teilchen das Gas (z. B. Luft mit Metalldampfzusätzen), das sich in der Kammer zwischen Platten oder Gittern befindet. Die Platten sind bei diesem Vorgang abwechselnd elektrisch positiv und negativ geladen. Entlang der Spuren der durch die Teilchen hervorgerufenen Ionisationen springen Funken über, die photographisch erfasst werden können. Bei einigen Funkenkammern lassen sich die Informationen über die Teilchenbahnen direkt mit Hilfe von Computern auswerten, ohne dass man Photographien aufnehmen muss. Funkenkammern sind sehr schnell und selektiv zu betreiben. So kann man Funkenkammern so einstellen, dass nur Spuren einer bestimmten Art von Teilchen aufgezeichnet werden. Das ist ein großer Vorteil beim Untersuchen von selteneren Teilchen. Allerdings haben Funkenkammeraufnahmen nicht die hohe Auflösung von Blasenkammerbildern.

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Szintillationszähler

Die Funktionsweise eines Szintillationszählers beruht im Prinzip auf der Ionisation durch geladene Teilchen. Dabei wird durch jede Ionisation ein sichtbarer Lichtblitz erzeugt (siehe Lumineszenz). Die Substanz, die dieser Ionisation unterworfen wird, nennt man Szintillator. Beispiele sind mit Silber- oder Kupferspuren aktiviertes Zinkulfid, Natriumiodideinkristalle und Anthracen. Eine sehr einfache Szintillationseinrichtung (Spinthariskop) wurde kurz nach 1900 erfunden und ermöglichte bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung der Kernphysik. Jedoch mussten die Lichtblitze durch einfache Beobachtung erkannt und gezählt werden. Aufgrund der Ungenauigkeiten dieses Verfahrens ging man bald zu anderen Detektoren über, z. B. zum Geiger-Müller-Zählrohr. Die Szintillationsmethode kam erst 1947 wieder auf, als man das szintillierende Material vor einem Photomultiplier anbrachte, einer Art photoelektrischer Zelle. In ihr werden die Lichtblitze in elektrische Impulse umgesetzt, die elektronisch verstärkt und gezählt werden können.

Bestimmte Szintillatoren reagieren auf manche Strahlungs- oder Teilchenarten besonders günstig. Dadurch sind äußerst selektive Detektoren realisierbar. Der Szintillationszähler ist allen anderen Detektoren in vielen Bereichen der heutigen Forschung überlegen und hat das Geiger-Müller-Zählrohr auch bei biologischen Anwendungen (siehe Isotopenindikator) und beim Aufspüren radioaktiver Erze ersetzt. Außerdem wird er bei der Erforschung von Elementarteilchen verwendet. Ein solches Gerät wird seit 1979 am Stanford Linear Accelerator Center benutzt, ein weiteres seit 1982 beim DESY, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. Der Detektor besteht aus einer hohlen Kugel mit einem Durchmesser von rund 2,1 Metern, die von 730 Natriumiodidkristallen umgeben ist.

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Andere Arten von Detektoren

In Teilchendetektoren nutzt man auch andere Arten der Wechselwirkung zwischen Materie und Elementarteilchen aus. In den Halbleiterdetektoren erzeugen Elementarteilchen in der Übergangszone Elektron-Loch-Paare, so dass die elektrische Leitfähigkeit hier sprungartig stark ansteigt. Dagegen wird bei den Tscherenkow-Detektoren ein Effekt ausgenutzt, den der russische Physiker Pawel Alexejewitsch Tscherenkow 1934 entdeckt hat: Ein Teilchen emittiert so genannte Tscherenkow-Strahlung, wenn es ein transparentes Medium mit einer Geschwindigkeit durchdringt, die größer ist als die so genannte Phasengeschwindigkeit des Lichtes. Die Lichtgeschwindigkeit ist in jedem Material niedriger als im Vakuum. Die Phasengeschwindigkeit des Lichtes ermittelt man aus dem Quotienten von Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und dem Brechungsindex des Mediums. In den Tscherenkow-Detektoren dienen Materialien wie Glas, Kunststoff, Wasser oder Kohlendioxid als Medium. Bei der Tscherenkow-Strahlung handelt es sich im Prinzip um ein gleichartiges Phänomen der elektromagnetischen Strahlung, wie das der Kopfwelle eines mit Überschallgeschwindigkeit fliegenden Flugzeuges (Mach’sche Welle). Wie bei den Szintillationszählern werden im Tscherenkow-Zähler die entstehenden Lichtblitze mit Hilfe von Photomultipliern registriert.

Neutrale Teilchen wie Neutronen oder Neutrinos kann man mit keinem Detektor direkt nachweisen. Diese Teilchen lassen sich aber indirekt durch Kernreaktionen untersuchen, die sich bei ihrem Aufprall auf bestimmte Atomkerne vollziehen. Langsame Neutronen erzeugen leicht nachweisbare a-Teilchen, wenn sie beispielsweise auf die Atomkerne von Bor im Bortrifluorid treffen. Neutrinos, die mit Materie kaum wechselwirken, kann man in riesigen Tanks mit Perchlorethen (C₂Cl₄) nachweisen. Stoßen Neutrinos auf Chloratomkerne, so können radioaktive Argonkerne gebildet werden. Der Perchlorethen-Tank wird regelmäßig gereinigt, und die jeweils neu hinzugekommenen winzigen Mengen an Argon werden ermittelt. Diese Art von Neutrinodetektor wird zum Schutz vor der kosmischen Strahlung tief im Inneren der Erde angelegt, oft in stillgelegten Bergwerken. Einige Forschergruppen messen den von der Sonne ausgehenden Neutrinofluss. Bei anderen Neutrinodetektoren setzt man Szintillationszähler ein. Hier wird der Tank mit einer anderen organischen Flüssigkeit gefüllt. Diese besitzt die Eigenschaft, Licht zu emittieren, wenn Neutrinos mit den Flüssigkeitsmolekülen in Wechselwirkung treten.