IEKP-KA/2013-8 - Institut fÃ¼r Experimentelle Kernphysik - KIT

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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 28
4.2. Aufbau des Detektors und Messung von Übergangsstrahlung 29 Abbildung 4.2.: Schematische Darstellung der Zusammensetzung des Wandmaterials für eine Proportionalkammerröhre (links) und Veranschaulichung des Fertigungsprozesses (rechts) [33]. Abbildung 4.3.: Foto eines Moduls in der Draufsicht (oben) und der Querschnitt mittels Computertomographie (unten) [32]. 10% Kohlenstoffdioxid verwendet. Einfallende Übergangsstrahlungsphotonen geben ihre Energie nach der Beziehung I = I 0 · e −µx (4.2) ans Detektorgas ab, wobei I 0 der Intensität des Photonenstrahls beim Eintritt in Materie entspricht, x die im Medium zurückgelegte Weglänge ist und µ ein vom jeweiligen Interaktionsprozess nach µ = N A A · (σ Ph + σ CS + σ Pb ) (4.3) abhängiger Absorptionskoeffizient. Der Absorptionskoeffizient µ hängt dabei von der Summe der einzelnen Wirkungsquerschnitte für die Wechselwirkungsprozesse Compton Streuung (CS), Photoeffekt (Ph) und Paarbildung (Pb) ab. Alle drei Prozesse finden in einem gewissen Energiebereich prinzipiell parallel statt wie in Abbildung 4.4 (a) am Beispiel von Blei als Absorber dargestellt ist. Dennoch ist abängig von der Energie des Photons und Material des Absorbers jeweils ein Prozess der dominierende. In Abbildung 4.4 (b) ist dies in Abhängigkeit der Kernladungszahl des Absorbers und der Photonenenergie dargestellt. Demnach ist für Übergangsstrahlungsphotonen mit Energien im Röntgenbereich bis zu 20 keV, die sich durch das Xenongas mit einer Kernladungszahl von Z Xe = 54 bewegen der Photoeffekt dominierend. Bei diesem wird das einfallende Photon von einem Elektron in der Atomschale der Gasatome vollständig absorbiert und dieses Elektron wird mit der kinetischen Energie E kin = E Photon − E Bindung frei. Der Wirkungsquerschnitt ist mit σ ∝ Z 5 proportional zur Kernladungszahl des Absorbers. Xenon ist damit für die Detektion der Übergangsstrahlungsphotonen gut geeignet. Im äußeren elektrischen Feld wird 29
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Seite 73 und 74: 7.2. Vergleich anhand der ermittelt
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Seite 81: Literaturverzeichnis 77 [40] Bishop
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80 Abbildungsverzeichnis 3.7. Schem
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82 Abbildungsverzeichnis 6.6. Energ
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A. AUSSCHNITT DER ANALYSEDATEI FÜR
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B. Ausschnitt der Analysedatei für
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B. AUSSCHNITT DER ANALYSEDATEI FÜR
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