In der experimentellen und angewandten Teilchenphysik , der Kernphysik und der Kerntechnik ist ein Teilchendetektor , auch Strahlungsdetektor genannt , ein Gerät zum Nachweis, zur Verfolgung und/oder Identifizierung ionisierender Teilchen , wie sie beispielsweise beim Kernzerfall , durch kosmische Strahlung oder bei Reaktionen in einem Teilchenbeschleuniger entstehen . Detektoren können neben der reinen Registrierung des Teilchens auch dessen Energie und weitere Eigenschaften wie Impuls, Spin, Ladung und Teilchenart messen.

Die Funktionsweise eines Kernstrahlungsdetektors

Das Funktionsprinzip eines Kernstrahlungsdetektors lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Der Detektor erfasst hochenergetische Teilchen oder Photonen – wie Alpha- , Beta- und Gammastrahlung oder Neutronen – anhand ihrer Wechselwirkungen mit den Atomen des Detektormaterials. Diese Wechselwirkungen erzeugen ein Primärsignal, das beispielsweise durch Ionisation von Gasen, die Bildung von Elektron-Loch-Paaren in Halbleitern oder die Lichtemission in Szintillationsmaterialien entstehen kann. Das Primärsignal wird anschließend verstärkt und von elektronischen Systemen verarbeitet. Schließlich wird der resultierende elektrische Impuls analysiert, um Eigenschaften der Strahlung wie ihre Energie, Zählrate oder spektrale Verteilung zu bestimmen. [ 1 ]

Beispiele und Arten

Zusammenfassung der Teilchendetektortypen

Bei vielen der bisher erfundenen und verwendeten Detektoren handelt es sich um Ionisationsdetektoren (wobei gasförmige Ionisationsdetektoren und Halbleiterdetektoren die typischsten sind) und Szintillationsdetektoren ; es wurden aber auch andere, völlig unterschiedliche Prinzipien angewendet, wie etwa Tscherenkow-Licht und Übergangsstrahlung.

Nebelkammern machen Partikel sichtbar , indem sie eine übersättigte Dampfschicht erzeugen . Partikel, die diese Region durchqueren , erzeugen Wolkenspuren, die den Kondensstreifen von Flugzeugen ähneln.
Aufzeichnung einer Blasenkammer am CERN

Historische Beispiele

Detektoren zum Strahlenschutz

Die folgenden Arten von Teilchendetektoren werden häufig zum Strahlenschutz eingesetzt und in großen Mengen kommerziell für den allgemeinen Gebrauch in den Bereichen Nukleartechnik, Medizin und Umweltschutz hergestellt.

Elektroskop (bei Verwendung als tragbares Dosimeter)

Häufig verwendete Detektoren für die Teilchen- und Kernphysik

Moderne Detektoren

Moderne Detektoren in der Teilchenphysik kombinieren mehrere der oben genannten Elemente schichtweise, ähnlich wie bei einer Zwiebel .

Forschungsteilchendetektoren

Detektoren für moderne Beschleuniger sind enorm groß und teuer. Der Begriff „ Zähler“ wird oft anstelle von „Detektor“ verwendet , wenn der Detektor Teilchen zählt, aber weder deren Energie noch Ionisationsgrad bestimmt. Teilchendetektoren können üblicherweise auch ionisierende Strahlung (hochenergetische Photonen oder sogar sichtbares Licht ) erfassen. Wenn ihr Hauptzweck die Strahlungsmessung ist, werden sie als Strahlungsdetektoren bezeichnet . Da Photonen aber auch Teilchen sind, ist die Bezeichnung „Teilchendetektor“ weiterhin korrekt.

An Teilchenbeschleunigern

Im Bau

Ohne Collider

Auf Raumschiffen

Theoretische Modelle von Teilchendetektoren

Neben ihrer experimentellen Anwendung sind theoretische Modelle von Teilchendetektoren auch für die theoretische Physik von großer Bedeutung. Diese Modelle betrachten lokalisierte, nicht-relativistische Quantensysteme, die an ein Quantenfeld gekoppelt sind. [ 2 ] Sie werden als Teilchendetektoren bezeichnet, da die Messung eines nicht-relativistischen Quantensystems in einem angeregten Zustand als Nachweis eines Teilchens gilt. [ 3 ] [ 4 ] Die ersten Teilchendetektormodelle in der Literatur stammen aus den 1980er Jahren, als W. G. Unruh ein Teilchen im Kasten einführte , um ein Quantenfeld um ein Schwarzes Loch zu untersuchen. [ 3 ] Kurz darauf schlug Bryce DeWitt eine Vereinfachung des Modells vor, [ 5 ] woraus das Unruh-DeWitt-Detektormodell entstand .

Über ihre Anwendungen in der theoretischen Physik hinaus sind Teilchendetektormodelle mit experimentellen Bereichen wie der Quantenoptik verwandt, wo Atome über die Licht-Materie-Wechselwirkung als Detektoren für das quantenelektromagnetische Feld dienen können . Konzeptionell ermöglichen Teilchendetektoren zudem die formale Definition des Teilchenbegriffs, ohne auf asymptotische Zustände oder Darstellungen einer Quantenfeldtheorie zurückzugreifen. Wie M. Scully es ausdrückt, lässt sich aus operationaler Sicht sagen: „Ein Teilchen ist das, was ein Teilchendetektor detektiert“ [ 6 ] , was im Wesentlichen ein Teilchen als die Detektion von Anregungen eines Quantenfeldes definiert.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Knoll, Glenn F. (2010). Strahlungsdetektion und -messung (4. Aufl.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-470-13148-0Die
  2. ^ Martín-Martínez, Eduardo; Montero, Miguel; del Rey, Marco (25.03.2013). „Wellenpaketerkennung mit dem Unruh-DeWitt-Modell“ . Körperliche Untersuchung D . 87 (6) 064038. arXiv : 1207.3248 . Bibcode : 2013PhRvD..87f4038M . doi : 10.1103/PhysRevD.87.064038 . S2CID 19334396 . 
  3. ^ a b Unruh, WG (1976-08-15). „Notes on black-hole evaporation“ . Physical Review D. 14 ( 4): 870–892 . Bibcode : 1976PhRvD..14..870U . doi : 10.1103/PhysRevD.14.870 .
  4. ^ Unruh, William G.; Wald, Robert M. (15.03.1984). „Was passiert, wenn ein beschleunigter Beobachter ein Rindler-Teilchen detektiert?“ Physical Review D. 29 ( 6): 1047–1056 . Bibcode : 1984PhRvD..29.1047U . doi : 10.1103/PhysRevD.29.1047 .
  5. ^ Irvine, JM (Mai 1980). „Allgemeine Relativitätstheorie – Eine Übersicht zum Einstein-Gedenkjahr“. Physics Bulletin . 31 (4): 140. doi : 10.1088/0031-9112/31/4/029 . ISSN 0031-9112 . 
  6. ^ Scully, Marlan O. (2009), Muga, Gonzalo; Ruschhaupt, Andreas; del Campo, Adolfo (Hrsg.), „Die zeitabhängige Schrödingergleichung neu betrachtet: Quantenoptische und klassische Maxwell-Wege zur Schrödinger-Wellengleichung“, Time in Quantum Mechanics – Band 2 , Lecture Notes in Physics, Band 789, Berlin, Heidelberg: Springer, S.  15–24 , doi : 10.1007/978-3-642-03174-8_2 , ISBN 978-3-642-03174-8{{citation}}: CS1 Wartung: Arbeitsparameter mit ISBN ( Link )

Weiterführende Literatur