Zusammenfassung zum Seminarvortrag Cherenkov-Detektoren

Zusammenfassung zum Seminarvortrag
Cherenkov-Detektoren
J. Lingner
1 Cherenkov-Strahlung und Cherenkov-Effekt
Bei der Cherenkov-Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, die immer dann
emittiert wird, wenn ein geladenes Teilchen ein Medium mit Brechungsindex n mit einer Geschwindigkeit
v T durchläuft, die größer als die Lichtgeschwindigkeit v L = c n
in diesem Medium
ist (c=Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). Der Effekt der Cherenkov-Strahlung kommt zustande,
da das geladene Teilchen, welches sich durch das Medium bewegt, die Atome längs seiner Bahn
für kurze Zeit polarisiert, so dass diese zu elektrischen Dipolen werden. Eine zeitliche Veränderung
des Dipolfeldes hat wiederum die Emission elektromagnetischer Strahlung zur Folge. Solange nun
v T < c n
, liegen die entstehenden Dipole symmetrisch um die Teilchenbahn verteilt. Das über alle
Dipole integrierte Dipolfeld verschwindet: D = ∫ ∑ Dipol i = 0 - es tritt keine Nettostrahlung auf.
i
Es kommt zwar zur Emission von Strahlung, doch aufgrund der symmetrischen Anordnung der
Dipole löscht sich die Dipolstrahlung durch Interferenzeffekte aus. Sobald jedoch v T > c n
, wird die
Symmetrie der Dipole um die Teilchenbahn herum aufgehoben. Das Dipolmoment ist nun von Null
verschieden und es kommt zur Abstrahlung in Ausbreitungsrichtung des Teilchens, ohne dass sich
die Beiträge gegenseitig auslöschen.
Der Winkel zwischen den emittierten Cherenkov-Photonen und der Bahn des geladenen Teilchens
lässt sich vereinfacht trigonometrisch berechnen:
cos(θ) = 1
β·n , mit β = v T
c
2 Photonenanzahl und Spektrum
Geht man von der Emission von Cherenkov-Strahlung unter einem gegebenen Winkel θ C aus, so
lautet die Anzahl pro Weglänge dx und pro Wellenlänge dλ des emittierten Lichtes der ausgesandten
Photonen:
dN
dxdλ = 2παz2
λ 2 · sin 2 (θ C )
α steht hierbei für die Feinstrukturkonstante, z für die Ladung des sich bewegenden Teilchens. Man
erkennt hier, dass die Lichtausbeute mit 1 λ 2
abfällt. Diese Tatsache erklärt, warum im optischen
Bereich das Cherenkov Licht häufig als blaues Leuchten wahrgenommen wird. Integriert man nun
über das gesamte sichtbare Spektrum (400nm-700nm) erhält man den Ausdruck:
λ
dN
dx = ∫ 1
dN
dxdλ = 490·sin2 (θ) 1
cm
Da die Photonenausbeute durch Cherenkov-Strahlung gering ist, ist
λ 2
es von großer Bedeutung und Wichtigkeit, dass Radiatormaterialien (Medien, die von den Teilchen
durchquert werden) sowie Photodetektoren möglichst präzise aufeinander abgestimmt werden.
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3 Die Cherenkovdetektoren
3.1 Schwellendetektor
Bei den Schwellen-Cerenkov-Detektor möchte man Teilchen gleichen Impulses anhand ihrer unterschiedlichen
Geschwindigkeiten trennen. Dabei wird das Radiatormaterial gerade so gewählt, dass
die schnelleren bzw. leichteren Teilchen einen Lichtblitz erzeugen (β T1 > β C ) und die langsameren
bzw. schwereren gerade nicht (β T2 < β C ). Dieses Prinzip wird bei MAMI im A1 Experiment genutzt
um z.B. Pionen/Elektronen zu trennen. Ein Nachteil des Schwellendetektors ist, dass mit steigendem
Impuls der einlaufenden Teilchen die Detektorlänge quadratisch anwachsen muss, um eine
Identifizierung zu ermöglichen und somit schnell zu unverhältnismäßig großen Detektoraufbauten
führen kann.
3.2 Differentielle Detektoren
Der Differentielle Cherenkov-Detektor wertet zusätzlich die Winkelinformation der Cherenkovstrahlung
aus, aus der wiederum die Teilchengeschwindigkeit bestimmt werden kann. In einem solchen
Detektor werden alle Teilchen oberhalb eine Geschwindigkeit von β T = 1 n
akzeptiert. Je höher
die Teilchengeschwindigkeit ist, desto höher wird der Cherenkov-Winkel, irgendwann kommt es
zur Totalreflexion unter einem Winkel θ T . Teilchentrennung ist hier auch bei sehr hohen Impulsen
(mehrere Hundert GeV möglich) ohne den Aufbau unverhältnismäßig groß werden zu lassen
(wie bei Schwellen Detektoren). Der Nachteil besteht darin, dass das Prinzip des Detektors nur
angewandt werden kann, wenn die Teilchen parallel zur optischen Achse einfallen.
3.3 RICH Detektoren
Beim Ring-Imaging-Cerenkov-Detektor (RICH) ist nicht nur von Bedeutung, dass ein Teilchen
Cerenkov-Licht aussendet, sondern auch unter welchem Winkel dies geschieht. Wie in Abb. 1 gezeigt,
kann über den Winkel der Strahlung die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmt werden.
Ein sphärischer Spiegel mit Radius R s bildet das im Radiator erzeugte Cherenkov-Licht auf einen
ebenfalls sphärischen Detektor ab. Der Cherenkov-Winkel legt den Radius der im Detektor nachgewiesenen
Ringe fest. Über den Radius lässt sich dann schließlich die Teilchengeschwindigkeit β T
bestimmen (kleinerer Radius = niedrigere Geschwindigkeit). Kennt man die Masse der Teilchen,
lässt sich nun auch deren Impuls berechnen. Kennt man hingegen den Impuls der Teilchen, lässt
sich über den Cherenkov-Ring die Teilchenidentität festlegen. Bei diesen Detektoren ist es wichtig,
nicht nur das Auftreffen von Photonen an sich zu detektieren, sondern auch deren genauen Ort zu
kennen. Der Vorteil dieser Detektoren ist, dass hier der komplette Raumwinkel abgedeckt werden
kann. Schwierigkeiten sind Mehrfachdurchgänge von Teilchen, da sich deren Ringe überlappen. Das
Zentrum des Ringes wird im Detektor meist ebenfalls angesprochen, da hoher Ionisationsverlust
hier zu einem starken Signal führt.
3.4 DIRC Detektor bei BaBar
Von 1999-2008 wurde in Stanford am Standford Linear Accelerator Center (SLAC) das BaBar-
Experiment durchgeführt, um anhand von Zerfällen von B-Mesonen das ungleiche Verhältnis von
Materie und Antimaterie im Universum zu erforschen. Hierbei wurde u.A. ein spezieller RICH
Detektor verwendet, der sogenannte DIRC (Detection of Internally Reflected Cherenkov Light)
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(siehe Abb.2). Etwa 5 m lange und 1,7 cm dicke Quarzstäbe dienen hierbei als Radiatoren, welche
zylinderförmig um den Wechselwirkungspunkt der Teilchen angeordnet sind. Die Strahlachse läuft
dabei parallel zur Zylinderachse. Um nicht an beiden Enden Photonen detektieren zu müssen, ist
an einem Ende ein Spiegel angebracht, welcher diese in die andere Richtung umleitet. Durchquert
nun ein Teilchen das Radiatormaterial, wird Cherenkov-Licht erzeugt, welches durch Totalreflexion
zur Vorderseite weitergeleitet wird. Dort tritt es aus und trifft auf eine gewoelbte Matrix von etwa
11.000 Photomultipliern. Es bilden sich verzerrte Kreissegmente, was mit der gewölbten Matrixform
und der Tatsache, dass nur ein Teil des Cherenkov-Kegels die Kriterien der Totalreflexion erfüllt
und weitergeleitet wird, zu tun hat. Besonders wichtig in diesem Experiment ist die Pion-Kaon-
Trennung im Impulsbereich von 0,7 - 4,2 GeV.
4 Quellen
W. R. Leo - Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments
C. Grupen - Teilchendetektoren
K. Kleinknecht - Detektoren für Teilchenstrahlung
http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-pub-10516.pdf
Bilder
http://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov radiation
Abbildung 1: Cherenkov Winkel
Abbildung 2: DIRC Detektor
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