Praktikum am ” GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ...

Praktikumsbericht GSI
Inhaltsverzeichnis
FAIR Synchrotrons
Gesellschaft für Schwerionenforschung
Planckstr. 1
D-64291 Darmstadt
Praktikum am
” GSI Helmholtzzentrum für
Schwerionenforschung“
im Zeitraum vom
13.7. - 31.7. 2009
Johannes P. Simon
31. July 2009
1 Erwartungen 3
2 Suche und Bewerbung 3
3 Die GSI 3
3.1 GSI Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 GSI Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.3 FAIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Meine Aufgaben 5
5 Erzeugung von künstlichen Elementen Uran+ 6
5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5.2 Erzeugung von Element 112 (Copernicium) . . . . . . . . . . . . . . . . 7
6 Tumortherapie mit Schwerionen 7
7 Beschleunigerphysik 8
8 Strahlung 9
8.1 Die α-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
8.2 Die β-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
8.3 Die γ-Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
8.4 Die Neutronenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
9 Experimentiersysteme 11
9.1 Laborsystem K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
9.2 Schwerpunktsystem K’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1

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10 Danksagungen 12
11 Anlagen 12
2 31. July 2009

Praktikumsbericht GSI
1 Erwartungen
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Schon seit frühester Kindheit war mir bewusst, dass meine berufliche Zukunft im Bereich
der Naturwissenschaften liegen wird. Dadurch wurde bisher mein ganzes Leben,
besonders jedoch meine schulische Laufbahn geprägt. Logische naturwissenschaftliche
Fächer fielen mir entsprechend leicht und besondere Freude hatte ich beim selbstständigen
Erarbeiten und bei Experimenten. So fiel auch die Wahl meiner Leistungskurse für
mein Abitur denkbar klar in das 3. Aufgabenfeld und ich entschied mich, Physik und
Mathematik zu wählen.
Daher, so viel war seitdem spätestens klar, sollte auch mein privates Praktikum
mir möglichst viel Alltag naturwissenschaftlicher Arbeit präsentieren und entsprechend
lehrreich sein, um, wenn möglich, ins Abitur von den Unmengen an neu erworbenen
naturwissenschaftlichen Erfahrungen noch einiges einfließen zu lassen. Natürlich sollte
ein sog. Hereinschnuppern nicht zu kurz kommen, im Vordergrund meines Handelns
stand jedoch immer erst die Gier nach Wissen und der Spaß an der Naturwissenschaft.
2 Suche und Bewerbung
Gesucht war also eine naturwissenschaftliche Einrichtung, die mir einen Einblick in das
Berufsleben eines Wissenschaftlers geben und meinen Wissensdurst für die kommenden
Ferien befriedigen konnte. Durch die Wahl meiner LKs wurde dann das Feld noch
eingegrenzt: Eine physikalische Einrichtung sollte es im Idealfall sein. Dann wurde ich
durch das Programm Saturday Morning Physics“ (SatMorPhy) der TU Darmstadt
”
und der damit verbundenen Besichtigung der Forschungseinrichtung schließlich auf das
” GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung“ aufmerksam und war sofort begeistert
von den vielen Forschungsmöglichkeiten, die sich durch die Beschleuniger, den
Speicherring und die vielen Caves ergaben. Doch wie sollte es möglich sein, in einer international
kooperierenden Forschungseinrichtung als relativ ungebildeter Schüler eine
Praktikumsstelle zu erhalten? Dank meines Onkels konnte ich schließlich einige Kontakte
aktivieren und mir wurde Herr H. Kolb vorgestellt, der sofort sehr hilfsbereit
und unterstützend agierte und durch den ich dann auch die Adresse des Personalbüros
bekam mit dem Vermerk, ich solle doch bei meiner Bewerbung bitte die Notiz anfügen,
mein zukünftiger Praktikumsbetreuer Herr Dr. Spiller sei mit diesem Praktikum einverstanden.
Nach Einreichen von Bewerbung, Lebenslauf und einer Leistungsbescheinigung
meiner Tutorin konnte mir innerhalb von 4 Wochen dann glücklicherweise der
Praktikumsplatz zugesichert werden.
3 Die GSI
3.1 GSI Allgemein
Das ” GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung“ (Abb. 1) wurde 1969 als Gesellschaft
für Schwerionenforschung (kurz GSI) in Darmstadt Wixhausen gegründet.
Auf dem heute ca. 0, 135km 2 großen Gelände soll mit schweren beschleunigten Ionen
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geforscht, sowie Beschleunigeranlagen gebaut und betrieben werden. Die Kosten werden
zu 90% vom Bund und zu 10% vom Land Hessen getragen, die der GSI ein Budget
von 85 Mio. /Jahr zur Verfügung stellen. Bei der GSI sind etwa 1050 Mitarbeiter
angestellt, davon ca. 300 Wissenschaftler und Ingenieure. Außerdem unterstützt die
GSI auch Forschung von über 400 Hochschulen und anderen Instituten aus mehr als
50 Ländern der Welt, weshalb jährlich noch über 1000 auswärtige Wissenschaftler die
Anlagen nutzen können. Forschungsgebiete sind u.A.:
Materialforschung
Gesundheitsforschung
Dichte Plasmen
Atomare Prozesse
Struktur der Kerne
Heiße, dichte Materie
Besonders hervorzuheben sind zwei Anwendungsmöglichkeiten dieser Forschung: Zum
Einen die Herstellung neuer Elemente, wie zum Beispiel das 1996 entdeckte und nun
verifiziert Element 112 Copernicium, zum Anderen die Behandlung von Gehirntumoren
schon totgeweihter Patienten durch Schwerionenbeschuss, wodurch eine Heilungsrate
von 90% erreicht wurde.
3.2 GSI Anlage
Um die Forschung der GSI erst zu ermöglichen bedarf es natürlich einer entsprechend
leistungsfähigen Beschleunigeranlage (Grafik 2). Derzeit besteht diese aus:
2 Ionenquellen (Grafik 3)
1 Linearbeschleuniger UNILAC (Grafiken 4 und 5)
1 Schwerionensynchrotron SIS18 (Grafiken 6 und 7)
1 Speicherring ESR
1 Fragmentseparator FRS
mehrere Experimente, z.B. der HADES-Detektor (Grafik 8)
Wenn auch oft die Notwendigkeit dieser Anlage hinterfragt wird im Hinblick darauf,
dass bei CERN / Zürich eine viel größere Anlage, der ” Large Hadron Collider“ (LHC),
existiert, so ist die Beschleunigeranlage bei der GSI doch weltweit einzigartig und eine
der wenigen Anlagen, die neben Elektronen auch beliebig große Ionen beschleunigen
kann, was der LHC bei CERN nicht kann.
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3.3 FAIR
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Bis 2015 soll dann zur GSI noch die ” Facility for Antiproton and Ion Research“ (Grafik
9), kurz FAIR, hinzukommen. Diese Anlage wird die atomphysikalische Forschung
vereinfachen und intensivieren können. Dazu werden u.A. 7 neue Ringe, darunter 2 Synchrotrone,
und neue Experimentiercaves entwickelt und aufgebaut. Wesentliche Vorteile
der FAIR-Anlage sind:
mehr Intensität (100x - 1000 x)
höhere Energien (34x)
bessere Strahlkühlung
effizienterer Parallelbetrieb
mehr Nutzer
erlaubt Herstellung von Antiprotonen
=⇒ gründlicheres und effizienteres Forschen als bisher.
4 Meine Aufgaben
Während meines Praktikums erhielt ich einen interessanten, wenn auch oft kurzen,
Einblick in das Forschungsfeld der GSI. Ein Einarbeiten in die Beschleunigerphysik
war von Nöten, wenn es auch bei einer Einführung bleiben musste, da dieses sehr
interessante Thema sehr schnell in die Physik fortgeschrittener Semester eintaucht, für
die mir leider das nötige Vorwissen fehlte.
Wie schon in Kapitel 3 erwähnt, wird die bestehende Anlage zur Zeit um einige
Elemente, dem sogenannten FAIR, erweitert. Für diesen Zweck müssen, bevor die Maschinen
erstellt und zusammengefügt werden, genaue Pläne entworfen werden, wie die
Maschine arbeiten soll, welche Geräte dafür notwendig sind und an welche Stelle diese
Geräte dann zu der fertigen Maschine zusammengefügt werden müssen. Eine Liste mir
Bauteilnamen, Code und somit Ort zu erstellen war im Fall des SIS300 (Schwerionensynchrotron
300) meine Aufgabe. Ausgehend von einem bereits existierenden File für
das SIS100, erstellt von Dr. D. Ondreka, dem offiziellen Nomenklatur-Regelwerk, einigen
Vorabzeichnungen und zahlreichen Informationen und Erklärungen, welcher die
Zeichnungen ab und zu bedurften, machte ich mich daran, eine Tabelle zu erstellen, die
einen Device Code, den Bauteilnamen und die Wirkungsebene beschreiben sollte:
Tabelle 1: SIS300 Devices
Element Name Plane
3S11QS1 Quadrupole Singulet (focusing)
3S23KH1 Steerer (horizontal) H
3S4EKS1E Sextupole for resonance extraction
3S4CKS1CV Chrom. Sextupole V
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Dabei wurden die Elemente folgendermaßen benannt:
1. Stelle 1 und 2 nach Großgerätname (3S für SIS300, 1S für SIS 100)
2. Stelle 3 stellt den Sektor dar (1-6)
3. Stelle 4 bezeichnet die Zelle (1-14 als 1-E)
4. Stelle 5 und 6 sind Elementgruppe (QS für Quadrupole Singulet, ...)
5. Stelle 7 ist die Nummer des Gerätes (1 für 1. Gerät dieses Types in dieser Zelle,
...)
6. Stelle 8 und 9 bezeichnet die Verwendung des Gerätes (E für Extraktion, I für
Induktion, ...)
Nach Beseitigung der ersten Probleme, welche Farbe für welchen Quadrupol steht,
wofür welche Abkürzung nun wirklich steht und dass Steerer immer zu zweit auftauchen,
konnte ich Version 1 abgeben und erhielt die Anweisung, mich mit Herr Konradt zusammenzusetzen,
dem leitenden graphischen Entwickler, der die Pläne für den SIS300
bearbeitet, um die Übereinstimmung zu überprüfen und etwaige fehlende Elemente
noch hinzufügen zu können, sodass die Liste den Wissensstand zu diesem Zeitpunkt
abbilden konnte. Nach dem Einfügen der so bemerkten fehlenden Pumpstände, Gateventile
und Beschleuniger Kavitäten konnte ich Version 2 abgeben. Anschließend bekam
ich neue Informationen über den Extraktionssektor und konnte so in dem File auch diese
neuen Geräte einfügen. Nach anschließender Prüfung durch Dr. D. Ondreka konnte
ich das File als derzeit neuesten Stand der Entwicklung abgeben.
Im folgenden sollen die Funktionen einiger Bauteile erläutert werden:
Tabelle 2: Funktionen der Bauteile
Name Funktion
Quadrupole Fokussierung in einer Ebene (H oder V) vgl. Linse
Dipole Strahlumlenkung horizontal
Septa Umlenkmagnet ” Eisenbahnweiche“
Kicker auslenken d. Ionenstrahls aus bestimmter Bahn
Sextupole Fokussierfehler ausgleichen
5 Erzeugung von künstlichen Elementen Uran+
5.1 Allgemeines
Zur Herstellung von neuen Elementen ist es nicht ausreichend, 2 bekannte Elemente nebeneinander
zu stellen und zu warten, bis etwas passiert. In vielen Jahren der Forschung
wurde daher ein ausgeklügeltes Verfahren zur Herstellung neuer Elemente konstruiert.
Zuerst wollen wir jedoch betrachten, wie die uns bekannten, im Universum häufig
vorkommenden Elemente entstehen: Kernfusion. Diese Herstellungsweise findet überall
im Universum in großen Mengen statt, nämlich in den Sternen. Bekanntestes Beispiel
ist unsere Sonne. Dabei werden je ein 2 H und ein 3 H zu 4 He und 1 Neutron fusioniert.
Durch die dabei austretende elektromagnetische Strahlung erhalten wir auf der
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Erde Licht und Wärme. So entsteht also Helium. Dieses Verfahren funktioniert auch
bei Elementen mit größeren Ordnungszahlen bis zum Eisen, nur mit jeweils anderen
Bausteinen. Bei Elementen mit noch größeren Ordnungszahlen würde eine Fusion nicht
mehr einen energetisch günstigeren Zustand erreichen, man müsste Arbeit leisten, um
größere Atomkerne herzustellen. Da die Sterne diese Energie nicht aufbringen können,
fusionieren sie solange, bis der Großteil der Masse in Eisen umgewandelt ist.
Schwerere Elemente als Eisen entstehen bis zum Uran in sog. Roten Riesen oder
in Supernova-Explosionen. Dabei werden die freien Neutronen, die Voraussetzung für
die Entstehung schwererer Elemente sind, an den bestehenden Atomkernen abgelagert.
Geschieht dies oft genug, so werden die Kerne instabil und können unter β-Zerfall, siehe
Kapitel 8.2, zum Element mit der nächsthöheren Ordnungszahl (OZ) umgewandelt
werden.
Elemente mit höherer OZ als Uran können nur künstlich hergestellt werden. Dies
geschieht durch Beschuss eines elementaren Targets durch einen Ionenstrahl. Die Summe
der beiden OZ muss dabei der OZ des gewünschten Neu-Elementes entsprechen.
Zum Erzeugen des Elementes sind allerdings nicht nur die Massen und OZ wichtig,
sondern auch der Auftreffwinkel und die Energie der beteiligten Teilchen. Bei einem
ungünstigen Winkel werden die Kerne genausowenig fusionieren, wie sie es bei einer zu
niedrigen oder zu hohen Energie tun würden. Bei zu niedriger Energie lassen sich die
Abstoßungskräfte zwischen den beiden positiv geladenen Atomkernen nicht überwinden,
bei zu hoher Energie ist die Eigendrehung des neuen Kerns so hoch, dass er sofort
wieder zerfallen würde. Dabei müssen nicht zwangsweise die Edukte wiederentstehen,
geschweige denn die gleichen Teilchen im gleichen Kern sein. Die Herstellung neuer
Elemente ist also nicht einfach zu lösen, sondern sie muss in mühevoller Kleinarbeit für
jedes Element neu berechnet und experimentell überprüft werden.
Die so entstandenen Elemente haben alle eine sehr kurze Halbwertszeit von im Schnitt
0,01 Sekunden, was eine Analyse der Stoffeigenschaften unmöglich macht und wodurch
Messungen am Stoff selbst erschwert werden. Die Zerfallsprodukte der neu entstandenen
Elemente können jedoch registriert werden, wodurch die Experimentatoren auf das
ursprüngliche neue Element schließen können, da die Produkte meist durch α-Zerfall
entstehen.
5.2 Erzeugung von Element 112 (Copernicium)
Im Fall des Elementes 112, das 1996 bei der GSI entdeckt und im Sommer 2009 nach
dem Wissenschaftler und Astronom Nikolaus Kopernikus (1473-1543) Copernicium benannt
wurde, war ein 70 Zn Strahl auf ein 208 P b Target geschossen worden. Gemessen
wurde ein 253 F ermium (Fm), sowie 6 α-Teilchen. Rückrechnungen ergaben dann
schließlich, dass ein 277 Cp per 6 α-Zerfälle über Darmstadtium (110), Hassium (108),
Seaborgium (106), Rutherfordium (104) und Nobelium (102) zu Fm (100) zerfiel. Dies
ist in Grafik 10 dargestellt.
6 Tumortherapie mit Schwerionen
Auch im 21. Jahrhundert sieht sich der Mensch manchen Krankheiten beinahe schutzlos
ausgeliefert. Bestes Beispiel: Krebs. Trotz Therapiemöglichkeiten besteht keine 100%ige
Chance, den Krebs zu besiegen. Zwar kann durch eine Strahlentherapie, die mit
Röntgenstrahlen vorgenommen wird, die Heilungschance erhöht werden, diese Therapie
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ist aber nicht annähernd perfekt, noch ist sie besonders gewebefreundlich dem Tumor
nahe gelegenen Gebieten gegenüber. Da die Energie der Strahlen nach dem Körpereintritt
reziprog zur Eindringtiefe verläuft, wird die meiste Energie bereits an Haut und
äußeren Regionen freigesetzt. Dies senkt nicht nur die Therapiechancen sondern es ist
auch äußerst schädlich für das äußere Gewebe. Deshalb wurde bei der herkömmlichen
Strahlentherapie nicht immer von einer Stelle bestrahlt, sondern von allen Raumwinkeln,
sodass sich die Strahlen im Tumor treffen und das äußere Gewebe wenigstens ein
wenig geschont wird.
Diese Umstände könnten schon bald Vergangenheit sein. In klinischen Studien bei
der GSI wurde die hohe Effizienz der Tumortherapie durch Ionenstrahlen deutlich.
Diese haben den Vorteil, dass sie ihre Energie hauptsächlich gezielt nach einer gewissen
Eindringtiefe abgeben (siehe Grafik 11), die durch ihre Geschwindigkeit variabel ist. So
wird umliegendes Gewebe geschont und der Tumor erhält höhere Strahlungsdosen als
bisher. So konnte eine 90%-ige Überlebenschance (selbst bisher totgeweihter Patienten)
erreicht werden, ein Vielfaches der Therapiechance der Röntgenstrahltherapie. Obwohl
grundsätzlich jeder Ionenstrahl zu dieser Leistung in der Lage ist, so nimmt man für
diese Ionentherapie meist 14 C-Ionen, da Kohlenstoff biologisch abbaubar ist und bei
Nachstrahlungen des C analysiert werden kann, ob und wieviel Tumor man getroffen
hat.
Diese Therapie wird auf 3 Wochen verteilt in 10 Sitzungen abgehalten. Zwar könnte
man auch den ganzen Tumor auf einmal bestrahlen, mit hoher Wahrscheinlichkeit
würde der Patient dabei aber einen Schock erleiden und die Therapie nicht überleben.
Bisher wurden die Therapie nur an Gehirntumoren angewandt, da bei Tumoren an anderen
Stellen des Körpers noch ein Fixierungsproblem besteht, das bei Gehirntumoren
mit speziell angefertigten Masken bereits gelöst wurde (Grafik 12). Mittlerweile wurde
die Behandlung an die Universitätsklinik in Heidelberg ausgelagert, wo extra eine kleine
Beschleunigeranlage gebaut wurde, sodass in Zukunft eine Weiterentwicklung und eine
solche Behandlung für ein größeres Spektrum an Patienten möglich erscheint.
7 Beschleunigerphysik
Der einfachste Beschleuniger ist eine Oszillographenröhre, siehe Grafiken 13 und 14.
Hier werden von einer Glühkathode Elektronen freigesetzt, die von einer Anode angezogen,
also beschleunigt, werden. Hier gilt für die gewonnene Energie:
W = q ∗ ∆U.
Diese Anordnung ist für eine effektive Nutzung des Teilchenstrahls jedoch nicht gut
geeignet, da hiermit u.A. keine relativistischen Energien erreicht werden können und
das einmalige Durchlaufen dieser Strecke sehr uneffektiv wäre.
Setzt man jedoch mehrere röhrenartige Anode-Kathode-Paare hintereinander, sog.
Drift Tubes, und lässt, während die Teilchen innerhalb der Röhre sind, das Feld umkehren,
erreicht man auch mit mäßiger Spannung recht schnell hohe Energien (siehe
Grafik 15). Da die Teilchen innerhalb der Röhren kein elektrisches Feld erfahren, werden
sie durch das Umpolen nicht abgebremst. Diese Funktionsweise nutzt der LINAC,
der Linear Accelerator, aus. Dies hat auch für die Experimente den großen Vorteil,
dass Teilchen, die das Feld nicht bei höchster Spannung passieren, nicht so stark beschleunigt
oder sogar kurz etwas abgebremst werden, sodass Teilchenpakete entstehen,
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die für Experimente besser genutzt werden können, als einzelne Teilchen. Nach dem
Durchlaufen der i-ten Röhre haben die Teilchen so eine Energie von
W = i ∗ q ∗ U0 ∗ sin (ω ∗ t).
Möchte man jedoch hier sehr hohe Energien erreichen, so nähme der LINAC recht
schnell eine große Länge an. Daher bieten sich Kreisbeschleuniger an, wodurch die
Teilchen dieselbe Stelle mehrmals durchlaufen könnten, und so auf minimalem Raum
hohe Energien erreichen. Ein einfaches Beispiel für einen Kreisbeschleuniger ist das
Zyklotron.
Da der Bewegungsradius sich bei konstantem Magnetfeld aber proportional zur Energie
verhält nach der Formel
R = W
ecB ,
würde man für relativistische Energien wieder eine sehr große Maschine benötigen.
Abhilfe schafft hier das Synchrotron (Grafik 16). Es ist nicht ganz Kreisförmig, sondern
besteht aus mehreren linearen Strecken, die dann per Kreisbögen miteinander
verbunden sind. Die Beschleunigung erfolgt, wie auch bestimmte Messungen etc., nur
auf den Geraden, während in den Kurven große Umlenkmagnete eingefügt sind, die ihr
Magnetfeld proportional zur Teilchenenergie hochfahren.
8 Strahlung
Strahlung bezeichnet im Allgemeinen sowohl die Ausbreitung von Teilchen (Korpolarstrahlung)
als auch von Wellen (Wellenstrahlung). Beide sind gerichtet und transportieren
einerseits Energie und Impuls, andererseits auch andere Eigenschaften, die die
Strahlungsteilchen besitzen, wie z.B. Masse, Ladung, etc. Unterteilbar ist die Strahlung
in ionisierende und nichtionisierende Strahlung. Die ionisierende Strahlung ist in der
Lage, Elektronen aus der Hülle von Atomen oder Molekülen zu entfernen, sodass ein
Ion zurückbleibt, die nichtionisierende Strahlung ist dementsprechend nicht dazu in er
Lage.
In der Beschleunigerphysik sind vornehmlich 4 verschiedene Strahlungsarten von Bedeutung:
1. α-Strahlung
2. β-Strahlung
3. γ-Strahlung
4. Neutronenstrahlung.
Diese sollen im Folgenden erklärt werden.
8.1 Die α-Strahlung
α-Strahlung gehört zu ionisierenden Strahlung. Als α-Strahler wird ein Stoff bezeichnet,
der beim radioatkivem Zerfall α-Teilchen abspaltet. Als α-Teilchen wird ein Helium-
Kern bezeichnet ( 4 2 He2+ ). Die Standardzerfallsgleichung lautet
A A−4
ZX −→ Z−2Y + 4 2He + ∆W.
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α Teilchen haben eine sehr geringe Eindringtiefe, was durch ihre hohe Masse und ihre
Ladung beeinflusst wird. Die Eindringtiefe ist noch Energieabhängig, da in der Natur
vorkommende α-Strahler jedoch nur eine relativ geringe Energie zwischen 2 und
5 MeV abgeben, können schon ein Blatt Papier oder einige Zentimeter Luft ausreichen,
um der Strahlenbelastung zu entgehen. Geblockt wird die Strahlung allerdings
auch von den obersten Hautschichten. Da diese schon abgestorben sind, ist ein Schaden
ausgeschlossen. Bringt man einen α-Strahler jedoch in den Körper hinein, so besteht
ernsthafte Lebensgefahr, was anhand des Beispiels des Kreml-Kritikers Alexander Litwinenko
deutlich illustriert wird.
8.2 Die β-Strahlung
β-Strahlung gehört zur Gruppe der ionisierenden Strahlung. Als β-Strahler wird ein
Kern bezeichnet, der bei seinem radioaktiven Zerfall Elektronen (β − -Strahlung) oder
Positronen (β + -Strahlung) abspalten kann. Die Maximalenergie von typischen β-Strahlern
liegt bei etwa 1MeV.
Beim Zerfallsprozess wird ein energiereiches β-Teilchen emittiert und somit ein Elektron-
Neutrino hergestellt, sowie ein Proton in ein Neutron (β + -Zerfall) umgewandelt bzw.
ein Elektron-Antineutrino hergestellt, sowie ein Neutron in ein Proton (β − -Zerfall) umgewandelt.
Die Standardzefallsgleichungen lauten dann:
β − : 1 0 n −→ 1 1 p + e− + νe
β + : 1 1 p −→ 1 0 n + e+ + νe
Beim β − -Zerfall entsteht also ein Atom mit einer um 1 höheren OZ, beim β + Zerfall
das Atom mit nächsttieferer OZ.
β-Strahler außerhalb des Körpers schädigen höchstens die Haut, können aber zu
Folgen wie Verbrennungen, Hautkrebs etc. führen. Inkorporierte β-Strahler sind stark
schädlich und haben hohe Strahlenschäden in näherer Umgebung zufolge. Ein wirksamer
Schutz ist aber schon durch einen wenige Milimeter dünnen Absorber, beispielsweise
ein Aluminiumblech, gegeben. Allerdings wird bei der Wechselwirkung mit dem
Absorber ein Teil der Strahlenergie in Röntgenstrahlung umgesetzt, weshalb ein Absorber
mit geringer OZ empfohlen wird, hinter dem sich dann ein zweiter Absorber mit
etwas höherer OZ befinden sollte, um einen wirksamen Schutz zu garantieren.
8.3 Die γ-Strahlung
γ-Strahlung gehört zur elektromagnetischen Strahlung und breitet sich daher mit Lichtgeschwindigkeit
aus. Sie entsteht, um überschüssige Energien abzutransprotieren, wenn
ein Atomkern von einem angeregten instabilen Zustand zu einem stabilen Zustand wechselt.
γ-Strahlung besitzt eine hohe Eindringtiefe und ist somit bei Aussetzung mit hoher
Strahlenbelastung verbunden. Schutz bieten, je nach Teilchenenergie, nur mehrere
Meter dicke, wasserreiche Stoffe, beispielsweise Beton.
8.4 Die Neutronenstrahlung
Neutronenstrahlung besitzt wegen seiner elektrischen Neutralität eine ebenso hohe Eindringtiefe
wie γ-Strahlung. Auch hier sind die gleichen Schäden zu erwarten. Schutz bie-
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ten wieder nur geeignete Vorsichtsmaßnahmen. Allerdings entsteht Neutronenstrahlung
meist nicht natürlich, sondern bei künstlichen Kernreatkionen.
9 Experimentiersysteme
In den Naturwissenschaften sind einheitliche Bezugssysteme nötig, um komplizierte wie
auch einfache Vorgänge schlüssig beschreiben zu können. Bewegungen sind in einem geschlossenen
System immer relativ zu einem bestimmten Bezugspunkt, der erst definiert
werden muss und eine Höhe ist immer relativ zu ” Normalnull“. Bei diesen Einteilungen
unterscheidet man in der Physik zwischen Laborsystem und Schwerpunktsystem.
9.1 Laborsystem K
Beim Laborsystem sucht man sich einen Nullpunkt im Vektorraum im geschlossenen
System. Erddrehung, Bewegung der Galaxie etc. werden nicht beachtet, da sich der
ganze Vektorraum mitbewegt. Schießt man hier ein Teilchen auf ein ruhendes anderes
mit gleicher Masse, so ergibt siche folgende Konstellation:
v1 = v v2 = 0
p1 = p = m1*v1 p2 = 0
W1 = p ∗ c W2 = 0
Für Ort und Zeitpunkt der Kollision gilt:
x = x2
y = y2
z = z2
t = (∆x) 2 + (∆y) 2 + (∆z) 2 * v1
Dieses System wird vor Allem in Schulen und anderen Einrichtungen verwendet, für die
das Schwerpunktsystem zu kompliziert oder einfach für den Sachverhalt unnötig wäre.
Vorteil ist hier, dass sich alles abhängig vom Beobachter anschaulich beschreiben lässt
und der gewählte Urpsrung seinen festen Punkt hat.
9.2 Schwerpunktsystem K’
Im Schwerpunktsystem wird der Urpsrung nicht irgendwo im Vektorraum gewählt,
stattdessen befindet er sich im Schwerpunkt des Systems, beim oben genannten Beispiel
(siehe Abschnitt 9.1) befindet er sich immer in der Mitte zwischen den beiden Teilchen.
Vom Beobachter aus gesehen steht der Urpsrung also nicht still, sondern bewegt sich
mit dem Teilchen 1. Die Messdaten zeigen dann allerdings abhängig vom Schwerpunktsystem,
dass sich beide Teilchen bewegen, der Ursprung steht fest. So ergeben sich dann
folgende Werte:
v1’ = v ’ v2’ = -v ’
p1’ = p ’ = m1’ * v1’ p2’ = -p ’
W1’ = p ’ * c W2’ = p ’ * c
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10 Danksagungen
Schon bei Paulus steht: ” Cui honorem, honorem“ ( ” Ehre, wem Ehre gebührt“). Dem
möchte ich mich anschließen und den Personen meinen Dank aussprechen, ohne die das
Praktikum nicht möglich oder nicht so erfolgreich gewesen wäre.
Allen voran gilt meine Dank
Herrn H. Kolb , der die Verbindung zur GSI hergestellt und das Nötige mit den
zuständigen Personen geklärt hat.
Dann möchte ich noch den Herren
Dr. Jens Stadlmann ,
Dr. Isfried Petzenhauser und
Patrick Puppel herzlich danken für die Unterstützung, die alle immer bereit waren zu
leisten, sowie für die freundliche Aufnahme in die Abteilung.
Zum Dank verpflichtet bin ich außerdem noch:
Brigitte Azzara ,
Lars Bozyk ,
Dr. Rainer Hellmich ,
Dr. Markus Kirk und
Holger Liebermann
für die freundliche Aufnahme und für ihre Hilfsbereitschaft.
All diese Personen haben das Praktikum beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
zu einem unvergessliches Erlebnis gemacht.
11 Anlagen
Abbildung 1: GSI heute
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Abbildung 2: Beschleunigeranlage, Überblick
Abbildung 3: Die Ionenquellen
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Abbildung 4: UNILAC außen
Abbildung 5: UNILAC innen
14 31. July 2009

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Abbildung 6: SIS18
Abbildung 7: SIS18
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Abbildung 8: HADES-Detektor
Abbildung 9: FAIR-Anlage
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Abbildung 10: Zerfallsreihe Copernicium
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Abbildung 11: Vergleich Eindringtiefe/Energieabgabe
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Abbildung 12: Fixierung der Gehirntumorpatienten
Abbildung 13: Oszillographenröhre
18 31. July 2009

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Abbildung 14: Oszillographenröhre Schmatik
Abbildung 15: Drift Tubes mit Feldumkehr
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Literatur
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D-64291 Darmstadt Praktikumsbericht GSI
Abbildung 16: SIS Schematik
[1] Prof. K. Welle. Einführung in die Beschleunigerphysik.ppt. WS 2002/2003.
[2] Dr. J. Stadlmann. Das Heer der Ringe.ppt.
[3] P. Puppel. Besuchervortrag.ppt.
20 31. July 2009