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

Versuch "Gammaspektren II - Halbleiterdetektoren" im Fortgeschrittenen-Praktikum

Betreuer

Dr. Christian Scharf, christian.scharf (at) physik.hu-berlin.de
Büro: 2'412

 

Versuchsdauer: ca. 7 Stunden

Versuchsbeginn: ca. 9 Uhr

Versuchsort: Raum 2'203

 

Setzen Sie sich rechtzeitig für eine Terminabsprache und für die Versuchsmappe (muss mindestens eine Woche vor Versuchstermin persönlich abgeholt werden) mit dem Versuchsbetreuer in Verbindung!

Voraussetzung für die Teilnahme sind Kenntnisse in Kern- und Teilchenphysik sowie Festkörperphysik. Bitte beachten Sie auch unbedingt die unten angegebene Literatur. Der Versuch kann nur durchgeführt werden wenn Sie sich mit den weiter unten genannten Themen vertraut gemacht haben und dies im Vortestat nachweisen können.

 

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 Gamma-Quellen bekannter Emissionslinien und Aktivitäten vermessen, um den Detektor zu kalibrieren. Ziel des Versuches ist es, Absorptionskoeffizienten verschiedener Metalle zu ermitteln und den Detektor zu charakterisieren.

 

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. 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:
  • Erzeugung von Gamma-Strahlung durch radioaktive Zerfälle
  • 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)
B) Halbleiterdetektor:
  • Funktionsprinzip von Halbleiterdetektoren (inkl. festkörperphysikalischer Grundlagen wie Bändermodell usw.)
  • Aufbau des verwendeten koaxialen HPGe-Detektor
  • Beiträge zur Energieauflösung und deren physikalischen Ursachen, Ursachen für Detektorineffizienzen, Peak-to-Compton-Verhältnis
  • Abhängigkeit der Energieauflösung und Detektoreffizienz von der Gamma-Energie und Detektorparametern
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), Fit beliebiger Funktionen an Daten
  • Statistik für radioaktive Zerfälle und Zählexperimente, Behandlung von statistischen Fehlern

 

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. Grafisches 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.