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Detektoren

Detektoren sind zur Beobachtung der Teilchen nach der Kollision wichtig. Sie können Teilchenart, Impuls, Energie und die Lebensdauer der Teilchen bestimmen und lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen sind dies historische Detektoren, wie die Nebelkammer, die Blasenkammer, die Funkenkammer und der Szintillationszähler. Bis auf den Szintillationszähler, der als einziger heute noch eingesetzt wird, basieren sie alle auf einer visuellen Auswertung der Ereignisse. Zum anderen gibt es die modernen Detektoren, die in der aktuellen Forschung verwendet werden. Sie umfassen die Ionisationskammer, den Halbleiterdetektor, die Drahtkammer, den Cerenkov-Zähler und das Kalorimeter. Moderne Detektoren ermöglichen eine elektronische Auswertung der Ereignisse.

Um die Vielzahl der zu untersuchenden Teilchen zu erfassen, wird an den Beschleunigern ein System aus Schichten unterschiedlicher Detektoren verwendet. Detektoren an den großen Beschleunigeranlagen bestehen so meist aus haushohen mehrere hundert Tonnen wiegenden Detektorsystemen, den Großdetektoren.

   

Abb. 1. Der Zeus-Detektor (12m x 11m x 20m, 3600 Tonnen) des DESY wird genutzt um die Bahn kollidierter Protonen, Elektronen und entstehender Bruchstücke zu verfolgen. (Quelle: DESY Hamburg, Stand:21.3.2006)

Bei einem Collider-Experiment werden die Detektoren um den Kollisionspunkt geschichtet, so dass der Eindruck eines umschließenden zwiebelförmigen Aufbaus entsteht.

Abb.2. Zwiebelschichtung eines Großdetektors zu einem Collider-Experiment (Quelle: DESY Hamburg, Stand:27.3.2006)

Bei einem Experiment mit festem Target befinden sich die Detektoren aufgeschichtet hinter dem Kollisionspunkt.

 

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Der Szintillationszähler

Der erste dokumentierte Einsatz eines Szintillationszähler erfolgte bereits 1903 durch W. Crookes. Die im Szintillator erzeugten Lichtblitze mussten dabei noch optisch aufgenommen werden. 1944 gelang S.C. Currant und W.R. Baker durch den Einsatz des Fotomultipliers die elektrische Verarbeitung der Photonen. Ein heutiger Szintillationszähler ist aus einem Szintillator, einem Lichtleiter, einem Fotomultiplier und einer digitalen Zählelektronik aufgebaut.

Abb.1. Prinzip des Szintillationszählers

Das geladene Teilchen fällt in den Szintillator ein und gibt Energie ab, indem es entlang seiner Bahn Elektronen in energetisch höhere Zustände hebt. Die Anregungen werden durch die Emission von Photonen abgebaut. Ein Teil dieser Photonen gelangt durch einen Lichtleiter in einen Fotomultiplier auf eine Fotokathode, wo sie Elektronen auslösen. Diese Elektronen werden auf ein System von Dynoden gelenkt, bei dem sie durch einen lawinenartigen Effekt vermehrt werden. Die Elektronen werden von einer Anode aufgefangen und erzeugen an einem Widerstand einen Spannungsimpuls, der digital aufgenommen werden kann. Das in den Szintillator eingefallene Teilchen erzeugt so am Ende des Szintillationszählers einen messbaren Spannungsimpuls.

Der Vorteil eines Szintillationszählers besteht darin, dass ihr Szintillator ein sehr großes Volumen von mehreren Litern einnehmen kann. So lässt sich ein großes Gebiet mit einem solchen Detektor erfassen.

 

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