energieverlust durch ionisation - desy
TRANSCRIPT
Energieverlust durch Ionisation
Energieverlust eines Teilches beim Durchgang durch Materie:
E
E-dE
dx
Teilchen (Masse M)
Landau–Verteilung verschiedener gemessener dE/dx–Werte:
dE/dx (keV/cm)
Landau distribution ofminimum ionising pions
p = 400 - 800 MeV/c(dE/dx)mp = 6.8 keV/cm
most probable dE/dx
→ 30% of highest chargetruncated
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 17
Energieverlust geladener Teilchen in Materie
Charakteristische Abhangigkeit des mittleren Energieverlustes
von β oder γ bei gegebener Masse:
const
~ log
minimalionisierend
γ +
dE
2
dxρ
γ=3.6β=0.96
∼1/β
log (E/m= γ)
1-2 MeV cm /g
2
Messungen der Ionisation von Teilchen mit dem OPAL–Detektor
am LEP (CERN):
6
8
10
12
14
16
18
10-1
1 10 102
p (GeV/c)
dE/d
x (k
eV/c
m)
dE/dx-resolution:(159 samples)
µ-pairs: 2.8 %min. ion. π: 3.2 %
p
K
π
µ
eµ-pairs
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 18
Reichweiten und Energiedeposition
Teilchenzahl und Energieverlust pro Weglange als Funktion der im Medium
zuruckgelegten Strecke:
dE
dx
x
N
x
dN ~ N dx
Energieverlust pro Weglange im Korpergewebe. Die Uberhohung am Ende
kann gezielt zur maximalen lokalen Energiedeposition genutzt werden:
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 19
Reichweiten
Spuren von α–Teilchen in einer Nebelkammer; die scharf be-
grenzte Reichweite liegt an der gleichen Energie der emittierten
α–Teilchen:
Reichweiten von Elektronen, Protonen und α–Teilchen in Luftund Wasser:
Teilchen Energie Reichweite [m][MeV] Luft Wasser
Elektronen 0.1 0.13 1.4 · 10−4
1.0 3.80 4.3 · 10−3
10.0 40.0 4.8 · 10−2
Protonen 0.1 1.3 · 10−3 1.6 · 10−6
1.0 2.3 · 10−2 2.8 · 10−5
10.0 1.2 1.5 · 10−3
α–Teilchen 0.1 1.2 · 10−3 1.4 · 10−6
1.0 5.0 · 10−3 6.1 · 10−6
10.0 9.5 · 10−2 1.2 · 10−4
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 20
Elektron–Bremsstrahlung
Feynmanngraph der Bremsstrahlung:
Ze
γe-
Energieverlust durch Ionisation und Bremsstrahlung fur Elektro-
nen als Funktion der Energie:
Strahlungslangen und kritische Energien:
Material Z x0 [mm] Ek [MeV]
H2O 1/8 361.0 92.0
Al 13 89.0 51.0Fe 26 17.6 27.4
Pb 82 5.6 9.5
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 21
Wechselwirkung von Photonen mit Materie
Photoeffekt:-eγ
Compton–Effekt:
Z
-
γe
’
θ
γPaarbildung:
e
e
γ
Ze
-
+
Absorptionskoeffizient pro Schichtdicke von Photonen in Blei:
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 22
Linearbeschleuniger
Beschleunigung von Elektronen im elektrischen Feld; Prinzip
des Kathodenstrahloszillographen:
K A
U
Elektronen
+-
Prinzip eines Hochfrequenz–Linearbeschleunigers:
-
E
E
z
++ -
-
e-
e
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 23
Kreisbeschleuniger
Prinzip eines Zyklotrons (Seitenansicht und Schnitt):
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Magnetjoch
B HF
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Prinzip des Synchrotrons:
Ejektion Dipolmagnete
..HF-Kavitaten
Det
ekto
r
Target
Injektion
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 24
Speicherringe
Prinzip des Speicherringes (Synchrotron):
Detektor
Wechselwirkungszone
Die großten derzeit laufenden und geplanten Beschleuniger:
Name / Umfang / Lange Teilchen EStrahl Ecm
Ort [km] [GeV] [GeV]
LEP (beendet) 27 e+↔ e− 100 / 100 200
CERN (Genf) Synchrotron
SLC 3 e+↔ e− 50 / 50 100
Stanford (USA) Linearbeschleuniger
Tevatron 6 p ↔ p 1000 / 1000 2000FNAL (Chicago) Synchrotron
HERA 6.4 p ↔ e± 920 / 30 320DESY (Hamburg) Synchrotron
LHC (im Bau) 27 p ↔ p 8000 / 8000 16000CERN (Genf) Synchrotron
TESLA (Planung) 33 e− ↔ e+ 500 / 500 1000DESY (Hamburg) Linearbeschleuniger
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 25
Nebel–, Blasen und Ionisationskammern
Prinzip der Nebelkammer und Aufnahme eines Schauers, der
von einer Bleiplatte ausgelost wird:
Prinzip der Ionisationskammer und Ausfuhrung zur Dosimetrie
in der Medizin:
-+
I
U
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 26
Proportionalkammern
Geiger–Muller Proportionalzahlrohr:
E~1/r
-
Kathode
USignal
Anode
+
Prinzip der Vieldrahtproportionalkammer (MWPC, multi wire
porportional chamber):
(Ο ∼ 20 µ)/Anoden
Kathode
~ 1
cm
~ 2 mm
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 27
Driftkammern
Prinzip der Driftkammer:
Struktur eines Sektors der Driftkammer des Experimentes JADE
(DESY): die Sektoren werden zur zylindrischen Kammer zusam-
mengesetzt, mit der man dann die Spuren der e+e− Reaktionen
nachweisen konnte (rechts):
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 28
Halbleiter– und Szintillationszahler
Prinzip der Halbleiterdiode (in Sperrichtung) und Querschnitt
durch einen Silizium–Streifen Detektor:
Verarmungszone
p n+-
���������������������������������������������
���������������������������������������������
���������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������
Anordnung des Szintillationszahlers: szintillierende Platte, Licht-
leiter und Photovervielfacher:
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 29
Ionisationsmessung und Cherenkov–Effekt
Energieverlust durch Ionisation: Spuren von Teilchen mit unter-
schiedlichen Massen und Energien in einer Photoplatte:
Ausbildung der Cherenkovstrahlung:
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 30
Kalorimeter, Strahlungs– undWechselwirkungslangen
Entwicklung eines elektromagnetischen Schauers als Abfolge
von Bremsstrahlungs– und Paarbildungsprozessen:
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
e (E )o
Elekromagnetische Strahlungslangen x0 und hadronische Wech-
selwirkungslangen λ:
Material Z A ρ[g/cm3] x0[cm] λ[cm]
Al 13 27.0 2.70 8.90 39.41
Fe 26 55.8 7.87 1.76 16.76
Cu 29 63.5 8.96 1.43 15.06
Pb 82 207.2 11.35 0.56 17.09
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 31
Das HERA–Experiment H1
Der H1–Detektor am HERA–Ring bei DESY. H1 ist ein Kollisions–
Experiment, das viele physikalische Prozesse gleichzeitig messen kann.
Struktur der Materie II (L), Kern– und Teilchenphysik 32
Das
HERA–Exp
erim
ent
HERA
B
Der
Hera
B–D
etektor.H
ERA
Bist
einFixed
–Targ
etExp
erimen
t,das
auf
bestim
mte
Pro
zessebereits
imA
ufb
auoptim
iertw
urd
e.
Das HERA-B Experiment
RICH
250 mrad
220 mrad
160 mrad
Magnet
Silizium Vertex- Detektor
TRDKalorimeterMyon Detektor
Target
0 m5101520
Photon Detektor
planare Spiegel
Draufsicht
Seitenansicht
Protonstrahl
Elektronstrahl
Protonenstrahl
Elektronstrahl
sphärische Spiegel
Vertextank
innere / äußere Spurkammern
C4ÊF10
Strahlrohr
Stru
ktur
der
Materie
II(L
),K
ern–
und
Teilch
enphysik
33