3.

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.

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.

2.

Blasenkammer

Sie 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.

3.

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.

4.

Szintillationszähler

Seine Funktionsweise 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.