Cosmic Ray Astronomy
 
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Copyright Daniel Weiss 2010
(mobiler) Szintillator
"Kosmische Strahlung – Nicht nur etwas für Profis
Es fing alles an mit einem schlichten Vortrag vor ca. 2 Jahren. Über eine Verbindung zu Herrn Professor Gottscheber bekam ich eine Einladung zu einem Vortrag über kosmische Strahlung. Als ich in die Universität lief, sah ich ein großes Schild „Vortrag komische Strahlung“. Sollte ich mich geirrt haben? Habe ich mich verlesen? War ich am Ende in einem Esoterik Vortrag gelandet? All diese Fragen erledigten sich, als ich in den Vortragssaal lief, und einen gutgelaunten Älteren Mann sah, der an einem Computer rumhantierte. Kurze Zeit später, ich hatte mich bereits hingesetzt, erschien ein Bild an der Leinwand „Kosmische Strahlung“, im Hintergrund Bilder vom Pierre Auger Observatorium in Argentinien. Nach diesem Vortrag war ich wie verwandelt, das wird mein zukünftiger Beruf, so nahm ich mir vor (und meine Schulnoten waren auch von dem Tag an besser). Direkt am folgenden Wochenende, rief ich den befreundeten Ingenieur, Elektrotechniker, Hobby-Amateur Astronom, und Gründer eine Erfinderclubs Peter  Wright an, um ihn zu fragen, ob er mir beim Bau eines Geigerzählers helfen würde. Er bejahte, aber sagte gleichzeitig, dass ein Geigerzähler weniger zur Messeung von kosmischer Strahlung geeignet sei, da er (in der klassischen Ausführung) weder die Energie der kosmischen Strahlung messen kann, noch empfindlich genug ist. Im Gleichen Satz bot er mir seine Hilfe, und einen von seinen Szintillationsdetektoren an. Übermotiviert packte ich ältere Ausgaben des Magazins „Sterne und Weltraum“, ein Buch über „Schwarze Löcher und Kometen“, und das Buch „Was die Welt zusammenhält“ aus, und begann zu lesen. Später suchte ich im Internet nach den verschiedenen Detektortypen, und deren Funktionsweise. Zwar wusste ich einiges schon über die Interaktion der kosmischen Strahlung mit unserer Erdatmosphäre und über die Entstehung der kosmischen Strahlung, doch galt es, dieses Wissen zu vertiefen. Und schon am nächsten Wochenende war es soweit, der Bau sollte beginnen. Er begann eigentlich damit, das ich im Lager, auf dem Gelände von Peter Wrights selbstgebauten Radioteleskop in Mannheim, in der Hintersten Ecke, eingekesselt in allerhand technischer Geräte, Kabel, Tische und einem Teppich, mit der nackten Hand herumstocherte, und nach einer Kiste mit Szintillationszählern suchte. Welche ich nach dem Berühren einer nassen Pfütze (ich weiß noch immer nicht was das war) auch fand. Ich balancierte über den Teppich, sprang über ein Fass, welches als Spendentrommel missbraucht wird, und lief in den gegenüberliegenden Laborcontainer.
Dort begann der Bau.
Zunächst etwas Theorie zur Messung kosmischer Strahlung. Man kann kosmische Strahlung auf verschiedene Art und Weisen messen. Die einfachste Methode ist es, einfach einen Photographischen Film lichtgeschützt irgendwo liegen zu lassen, und ihn nach einigen Jahren zu entwickeln, aber auch CCD Photographen ärgern sich über sogenannte „Cosmics“, Spuren kosmischer Strahlung. Man kann aber auch einen Geigerzähler „zweckentfremden“ indem man ihn nach oben richtet, allerdings ist er viel zu unempfindlich. Zwei weitere Methoden basieren auf dem sogenannten Cherenkov Effekt. Er beruht darauf, das die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geringfügig schneller ist, als die Lichtgeschwindigkeit in anderen Medien (z.B. Luft, oder Wasser). Dringt nun die Kosmische Strahlung in die Atmosphäre ein ist es im Medium Luft schneller als die Lichtgeschwindigkeit (die Lichtgeschwindigkeit im Medium Luft), und dadurch entsteht, wie ein Überschallknall, ein „Überlichtblitz“, den mann mit Teleskopen sehen kann, allerdings ist er so schwach, und so kurz, dass man ihn nur in sehr dunklen Gebieten kann. Der Detektor MAGIC in Namibia basiert auf diesem Prinzip und Teile der Detektoranlage Pierre Auger. Und der selbe Effekt tritt auch im Wasser auf. Die Kosmische Strahlung fliegt in die Erdatmosphäre, und interagiert dort mit Atomen und anderen Teilchen, dabei entstehen neue Teilchen, welche abermals mit anderen Teilchen interagieren, ein ganzer Teilchenschauer entsteht, sogenannte Sekundäre kosmische Strahlung. Nun gibt es sogenannte Wassertankdetektoren, in welche die sekundäre kosmische Strahlung „hineinfliegt“, und im Wasser einen Lichtblitz von sich gibt. Und zu guter Letzt gibt es noch die Szintillationszähler. Er besteht aus einem Kristall, mit großen Gitterkräften. Flieg hier nun ein Teilchen hinein, wird es von den enormen Gitterkräften festgehalten, und gibt einen Lichtblitz ab, den man sehen kann.
Nun aber wieder zur Praxis: Zunächst wurde ein altes, handelsübliches Computernetzteil umgebaut, indem einfach zwei Anschlusspunkte überbrückt wurden, wodurch das Netzteil auch ohne Computer funktioniert.           


Nun wurden die einzelnen Kabel mithilfe eines Multimeters überprüft, um Herauszufinden, welches Kabel, welche Spannung liefert. Nachdem ich die Kabel gefunden habe, welche die benötigten 12 Volt liefern, habe ich von diesen Kabeln die Enden abgeknipst und sie abisoliert. Nun war das Netzteil fertig vorbereitet. Als nächstes wurde der Sockel für den Photomultiplier (den Verstärker für die Lichtblitze im Szintillationskristall) umgebaut. Die BNC Buchsen für 1000 V Photomultiplier Betriebsspannung, 12V Verstärker-Betriebsspannung, und Signal wurden durch feste Kabel ersetzt und an das Netzteil angelötet. Zu guter Letzt wurden die Kabel noch mit einem Schrumpfschlauch versehen.
 





 
Nun fehlte nur noch das 1000V Netzteil. Auf Grund meiner Abneigung zur Elektrotechnik (ich sehe sie nur als Mittel zum Zweck) war ich froh, dass in Peters Lager mehrere 1000V Trafos zu finden waren, von denen eins in eine sichere Tupperbox eingebaut wurde.
 

Mehrere Löcher für die Buchsen wurden hineingebohrt, und die Spannung wurde mit einem Hochspannungsmultimeter gemessen. Das Netzteil lieferte genau die geforderten 1000V (Man kann die Spannung auch verändern, falls man mal andere Detektoren verwenden sollte)
Nun musste ich nur noch den ehemaligen Klinkenanschluss des Lautsprechers in einen BNC Anschluss umwandeln, und den eigentlichen Detektor auf den Sockel stecken
 

Zu guter Letzt wurde noch alles Verkabelt, der Sockel wurde mit dem Detektor durch eine Kupferfolie zur Abschirmung verbunden, und fertig war der Detektor. Die Aufregung stieg. Sollte alles Klappen? Ich verkabelte das Netzteil mit der Steckdose, das 1000V Netzteil mit dem Detektor, und mit dem Netzteil, das Signalkabel mit dem Lautsprecher und fertig war der Detektor. Nun war das Cosmic Ray Telescope bereit für das First Light. Ich schaltete das Computernetzteil an. Der Ventilator begann sich zu drehen, und aus dem 1000 V Netzteil ertönte ein Fiepen, welches auf den Trafo zurückzuführen ist. Der Lautsprecher wurde eingeschaltet, und ein Lautes Knistern ertönte. Ich hörte das Produkt kosmischer Strahlung. Kosmische Strahlung, welche von der Sonne  den Weg auf die Erde fand, wo sie mit der Atmosphäre in Wechselwirkung trat, Teilchen produzierte, welche dann ihr jähes Ende in einem Kristall fanden. Und nur als Geräusch aus einem Lautsprächer ertönten.
Nachdem ich den Detektor 2 Tage lang eingeschaltet lies, und ihn durch den Selbstgebauten BNC-Klinke Adapter an den Computer anschließ, konnte ich nach 2 Tagen die Messurven am PC mit dem Programm Radio Sky Pipe betrachten.
Ich konnte aus den Messdaten folgende Ergebnisse ziehen. Sie sind zwar schon bekannt, doch ist es trotzdem interessant, es selber herauszufinden. Die Menge und Intensität der Kosmischen Strahlung  steigt ab Sonnenaufgang rapide an, und sinkt bei Sonnenuntergang steil ab.  In der Nacht kann man sehr, sehr selten (bei nachfolgenden Nachtbeobachtungen wiederholte sich ein solches Ereignis nur zweimal, und es ist nicht sicher, ob es nicht ein Messfehler ist), ein kurzzeitiges, extrem Energiereiches Event feststellen, welches wohl dass Produkt eines kosmischen Strahlungsteilchens ist, welches eine sehr weite Reise auf sich genommen hat. Und zu guter letzt noch ein Satz zu dem Nachbau dieses Gerätes (falls einer von den Lesern nun Interesse hat ein solches Gerät nachzubauen)
Szintillationskristalle sind sehr teuer, und auf dem normalen Markt eigentlich nicht zu finden. Aus diesem Grund kann man ihn durch einen innen verspiegelten Wassertank (z.B. Thermoskanne) und einen hineingesteckten Photomultiplier ersetzen. Photomultiplier kann man bei Ebay für einige Euros ersteigern. Den Rest des Versuchsaufbaus kann man übernehmen. Außerdem möchte ich den Lesern ans Herzen, sich nicht ohne einen Fachkundigen in Hochspannungstechnik an dieses Projekt zu wagen!
Doch wie sehen nun meine Zukunftspläne aus?
Wahrscheinlich werde ich noch einen zweiten solchen Detektor bauen, welchen ich mit einer Koinzidenzschaltung mit diesem verbinden werde, um Messfehler auszuschließen, und eine Winkelverteilung zu erforschen. Auch würde ich meinen Szintillator gerne mit einem Multi Channel Analyzer (einer Art Spektralanalysator) verbinden, um ein Energiespektrum zu erhalten. Dies habe ich bereits mit einem Uralten Multi Channel Analyzer versucht, doch verursachte dieser einen Kurzschluss, sodass ein Kondensator in diesem explodierte, und die Sicherungen in meiner Wohnung herausflogen. Ein moderner, mit dem Computer zu verbindender MCA wäre ein Traum, doch sind diese so teuer, dass ich mir einen solchen nicht leisten kann.
Außerdem planen Peter und ich auf dem Gelände des Radioteleskops einen unterirdischen Wassertankdetektor zu errichten, um noch mehr Messergebnisse zu erziehlen. Ich hoffe dieser Beitrag hat gezeigt, dass die Messung kosmsicher Strahlung nicht nur Profis vorbehalten ist!!
Ich bedanke mich bei Peter Wright, ohne dessen Hilfe, Anweisungen, Material, Wissens, etc. dieses Projekt nie Möglich geworden wäre. DANKE!
Anmerkung:
Der Szintillationskristall ist ein NaI (+Tl) von der Firma Bicron (heute St. Gobain Crystal).
Bücher: Thomas Rapp „Experimente mit selbstgebauten Geigerzählern, Funkenkammern und Nebelkammern“
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