IEKP-KA/2013-8 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

28 4. Der Übergangsstrahlungsdetektor
Abbildung 4.1.: Spiegelladung einer positiven Ladung an einer Grenzfläche [30].
mit dem Lorentz-Faktor des Teilchens γ = E/mc 2 , seiner Ladung q und den Plasmafrequenzen
ω 1,2 in beiden Materialien. Ein Großteil dieser Energie wird mit der Wahrscheinlichkeit
von etwa α/3 in Form energiereicher Photonen im Röntgenbereich von 2 − 20
keV innerhalb des Winkelbereichs θ ≤ 1/γ, des sogenannten Vorwärtskegels, abgestrahlt
[31]. Dabei ist α = 1/137 die Feinstrukturkonstante. Gleichung 4.1 ist auch bei einem
nichtrelativistischen Teilchen mit γ ∼ 1 ungleich null. Damit wird Übergangsstrahlung,
anders als beispielsweise beim Tscherenkow Effekt, auch bei niedrigen Geschwindigkeiten
abgestrahlt. Bei vielen Grenzübergängen werden dann mit einer ausreichend großen Wahrscheinlichkeit
Photonen mit einer direkt zum Lorentz-Faktor des Teilchens proportionalen
Intensität emittiert. Diese können bei bekannter Energie zur Unterscheidung von Teilchen
nach deren Masse verwendet werden.
4.2. Aufbau des Detektors und Messung von Übergangsstrahlung
Als Radiator im Übergangsstrahlungsdetektor des AMS-02 Experiments sind 20 Lagen
aus Vlies, bestehend aus Polypropylen- und Polyethylen-Fasern, mit einer Dicke von 20
mm und einer Dichte von 0, 06 g/cm 3 verbaut. Die lose angeordneten und etwa 10 µm
dicken Fasern ermöglichen eine hohe Zahl von Vakuum-Radiator Übergängen, so dass
beim Durchqueren einer Lage Übergangsstrahlung mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa
60% ausgesendet und detektiert wird [32]. Die entstandene Übergangsstrahlung wird von
Proportionaldrahtkammerröhrchen unterhalb jeder einzelnen Lage Vlies gemessen. Diese
haben einen Durchmesser von 6 mm und eine Länge von 0, 8 − 2 m. Sie bestehen aus
Kapton-Folie die mit Aluminium und Graphit als Kathode auf der einen und Polyurethan
auf der anderen Seite beschichtet ist. Zwei solcher Folien werden jeweils Rücken an Rücken
zusammengebracht und bilden somit eine 72 µm starke Hülle. Die einzelnen Schichten
des Wandmaterials sowie der Fertigungsprozess der Röhrchen sind in Abbildung 4.2 zu
sehen. Als Anodendraht wird ein 30 µm dicker Draht aus mit Gold beschichtetem Wolfram
verwendet. Die Betriebsspannung im Proportionalbereich liegt im Bereich von etwa 1500
V. 16 solcher Röhrchen sind zu einem Modul zusammengefasst. Zur Stabilität sind die
Module mit 6 Versteifungen aus Karbon durchzogen, sowie mit Karbonband im Abstand
von 10 cm gesichert. Ein Bild eines solchen Moduls in der Draufsicht und im Querschnitt
mittels Computertomographie ist in Abbildung 4.3 zu sehen. Insgesamt wurden 328 Module
und damit 5248 Proportionaldrahtkammerröhrchen in 20 Lagen verbaut. Die oberen und
unteren vier Lagen sind dabei parallel zur x-Richtung, die restlichen Lagen um 90 ◦ gedreht
in y-Richtung angeordnet, was eine drei-dimensionale Spurrekonstruktion ermöglicht. Die
einzelnen Module sind in eine Oktogonale Trägerkonstruktion aus Aluminiumwaben mit
Querstreifen aus Karbon zur Stabilität eingebettet. Der gesamte Subdetektor wiegt dank
konsequenter Leichtbauweise nur 500 kg.
Als Füllgas für die Proportionaldrahtkammern wird eine Mischung aus 90% Xenon und
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