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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Experimentelle Elementarteilchenphysik

Versuch "Gammaspektren II - Halbleiterdetektoren" im Fortgeschrittenen-Praktikum

Betreuerin

Laura Rehnisch, rehnisch (at) physik.hu-berlin.de
Büro: 2'407
Telefon: 030-2093-7812

 

Versuchsdauer: ca. 7 Stunden

Versuchsbeginn: ca. 9 Uhr

Versuchsort: Raum 2'203

 

Setzen Sie sich rechtzeitig (ca. eine Woche vor Versuchstermin) für eine Terminabsprache und für zusätzliches Material mit der Versuchsbetreuerin in Verbindung!

 

Kurzbeschreibung

Für moderne Elementarteilchenexperimente wie den LHC sind elektronisch auslesbare Detektoren unersetzbar. Erst durch die einfach Digitalisierbarkeit der elektronischen Signale können große Datenmenge gemessen, gespeichert, verarbeiten und weltweit erreichbar gemacht werden. In diesem Versuch sollen daher die grundlegende Wirkungsweise, sowie die typischen Eigenschaften und Kenngrößen eines solchen Detektors am Beispiel des Halbleiterdetektors vermittelt werden. Bei der Durchführung des Versuchs wird der Schwerpunkt besonders auf die typischen Verfahren in der experimentellen Teilchenphysik zur Gewinnung und Analyse der Daten gelegt.

 

Zunächst wird ein Untergrundspektrum (natürliche Radioaktivität) aufgenommen. Anschließend werden Quellen bekannter Emissionslinien und Aktivitäten vermessen, um den Detektor zu kalibrieren. Ziel des Versuches ist es, Absorptionskoeffizienten verschiedener Metalle zu ermitteln.

 

Die Daten werden als Spektren im ASCII Format vorliegen. Für die Auswertung wird ein Programm benötigt, das diese einlesen und Peaks fitten kann.
Welche Programme benutzt werden --- ob Auswertung oder grafische Darstellung --- ist Ihnen überlassen.

 

Hinweise

Der Versuch findet im Raum 2.203 statt. Bitte setzen Sie sich einige Zeit vor dem angesetzten Versuchstag mit Ihrer Betreuerin per E-mail in Verbindung, um einen Termin zu vereinbaren. Lesen Sie die Versuchsanleitung sorgfältig und machen Sie sich mit der folgenden Begriffen vertraut. Dafür werden Ihnen ausgewählte Literaturauszüge zur Verfügung gestellt. Literaturangaben für ein vertiefendes Studium finden Sie im Folgenden.

A) Gamma-Spektroskopie:
  • Wechselwirkung von Gamma-Quanten mit Materie (Abhängigkeit von Gamma-Energie, Materialeigenschaften)
  • charakteristische Effekte in von Gamma-Detektoren gemessenen Spektren und deren Ursachen (z.B. Compton-Kante, "escape peak", Rückstreu-Peak)
  • Ursachen von Detektorineffizienzen, Peak-to-Compton-Verhältnis
B) Halbleiterdetektor:
  • Funktionsprinzip von Halbleiterdetektoren (inkl. festkörperphysikalischer Grundlagen)
  • Typen von Ge-Halbleiterdetektoren (Li-drifted, HPGe-Det., planare, koaxiale Detektoren)
  • Beiträge zur Energieauflösung und deren physikalischen Ursachen, Ursachen für Detektorineffizienzen
  • Abhängigkeit der Energieauflösung und Detektoreffizienz von der Gamma-Energie und Detektorparametern
  • Prinzipielle Unterschiede zwischen Szintilliator- und Halbleiterdetektoren für Gamma-Strahlung
C) Anwendungen:
  • Grundbegriffe der Dosimetrie (Maßeinheiten und deren Bedeutung)
  • Quellen natürlicher Radioaktivität
  • Massenabsorptionskoeffizient (Abhängigkeit von Gamma-Energie und Materialeigenschaften)
D) Datenauswertung:
  • Methoden der quantitativen Auswertung von Gammaspektren
    (Bestimmung von Energie und Intensität von Spetrallinien),
    Berücksichtigung von Untergrundspektrum (background)
  • Behandlung von statistischen Fehlern und Interpretation von Messfehlern

 

Bringen Sie bitte einen USB-Stick mit, um die aufgenommenen Spektren auf Ihren Computer zu uebertragen.

Materialien und Protokoll

  Unterlagen am Experiment

  1. Handbuch zum Programm Maestro, welches die Aufgaben der Datenaufnahme, insbesondere der eines Vielkanalanalysators (MCA:Multi Channel Analyser) und die Steuerung der Hardware Parameter des Halbleiterdetektors übernimmt.
  2. Platzanleitung mit den wichtigsten Bedienungsanleitungen sowie eine Liste von Gamma-Quellen mit der Angabe der wichtigsten Emissionslinen

Nützliche Links (aber nicht erforderlich):

  1. Linux-Tutorial
  2. C++ Tutorial
  3. Graphisches Auswertungsprogramm Root

Die Auswertung kann in einem Programm Ihrer Wahl durchgeführt werden. Eine vorherige Absprache mit dem Betreuer ist empfehlenswert.

 

Das Protokoll ist spätestens zwei Wochen nach Durchführung des Versuches abzugeben.
Falls per E-mail, dann bitte unbedingt als PDF-File!

 

Literatur

Neben den ausgewählte Literaturauszügen, die zur Verfügung gestellt werden, eignet sich die folgende Literatur zur Vorbereitung der Versuchsdurchführung sowie zum Vertiefen der Kenntnisse:

  • C. Grupen: “Teilchendetektoren” (Wissenschaftsverlag, 1993)
  • Th. Ferbel: "Experimental Techniques in High Energy Physics" (Addison Wesley, Advanced Book Program, 1987)
  • Glenn F. Knoll: “Radiation detection and measurement” Second edition (John Wiley & Sons, 1989)
  • W.R. Leo: “Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments” Second revised edition (Springer-Verlag, 1994)
  • J.R. Taylor: "An Introduction to Error Analysis", Second edition (University Science Books, 1997)

 

  1. Zu Punkten A) und B)
    • Knoll, Kap. 12.

      Grupen, Kap.1.2
  2. zu Punkt B)
    • Grupen, Kap. 7.1
    • Ferbel, Part III ("High Resolution Electronic Particle Detectors") chap. 4. (pg 233 ff)
    • Leo, inbes. Kap. 10.1 - 10.4, 10.7
  3. zu Punkt C)
    • Knoll, Kap. 20.
    • Grupen, Kap 3 und Glossar 3
    • Leo, Kap. 3
    • Knoll, Kap 2.III.B oder ein Büch zur Kernphysik Ihrer Wahl (zum Begriff Massenabsorptionskoeffizient)

  4. zu Punkt D)
    • Leo, Kap. 4.

    • Taylor, inbes. Kap. 3 und 11.