Teilchendetektor

Dieser Artikel behandelt Detektoren für Teilchen, die eine Ruhemasse haben. Nachweisgeräte für die masselosen Photonen, also elektromagnetische Strahlung, werden im Artikel Strahlungsdetektor behandelt.

Ein Teilchendetektor ist ein Bauteil oder Messgerät zum Nachweisen freier, bewegter Moleküle, Atome oder Elementarteilchen. Da mit Teilchendetektoren Teilchen mit äußerst gegensätzlichen Eigenschaften nachgewiesen werden, gibt es viele verschiedene Teilchen- und Strahlungsdetektoren mit verschiedenen Wirkungsprinzipien.

Nachweis über elektromagnetische Wechselwirkung mit Materie

Gasgefüllte Ionisationsdetektoren

Modernes Dosisleistungsmessgerät. Im Inneren befindet sich ein Geiger-Müller-Zählrohr.

Ionisationskammer: Hier wird die durch ionisierende Strahlung erzeugte elektrische Ladung entweder als einzelne Stromimpulse oder in manchen Anwendungen als integrierter Strom gemessen.
- Dosimeter: Eine kleine Ionisationskammer zum Feststellen der Strahlendosis, die eine Person z. B. in einem Kontrollbereich erhalten hat.
Proportionalzähler
Geiger-Müller-Zählrohr: Zählt einzelne ionisierende Teilchen unabhängig von ihrer Art und Energie. Je nach Aufbau (Eintrittsfenster) und Füllgas für verschiedene Teilchen geeignet
Funkenzähler (Streamer-Kammer)
Straw-Detektor
Vieldraht-Proportionalkammer (kurz: Drahtkammer, engl. multi-wire proportional chamber, MWPC)
Spurendriftkammer (engl. time projection chamber, TPC)
Widerstandsplattenkammer (engl. resistive plate chamber, RPC)
Mikrostrukturierte Gasdetektoren (engl. micro-pattern gas detector, MPGD) erreichen durch Verkleinerung der Auslese-Strukturen bessere Ortsauflösungen als „konventionelle“ Gasdetektoren und stellen deshalb ein aktives Forschungsgebiet dar. Darunter fallen:
- Gas Electron Multiplier (kurz: GEM)
- MicroMegas (engl. für micromesh gaseous structure)

Halbleiterdetektoren

In Halbleiterdetektoren erzeugt ionisierende Strahlung ähnlich wie in Ionisationskammern (s.o.) freie elektrische Ladungen. Diese Impulse werden durch entsprechende Schaltkreise (zum Beispiel Transistoren) verstärkt, die direkt mit dem Detektor zusammengebaut sein können.

So können Silizium-Pin-Fotodioden in Sperrrichtung bei geringer Betriebsspannung in einem abgeschirmtem lichtdichten und empfindlichen, hochohmigen Verstärker sowie anschließendem rauschunterdrückenden Diskriminator bzw. Komparator verwendet werden.

Szintillationsdetektoren

Der Szintillationsdetektor ist ein Detektor, der die Eigenschaft verschiedener Materialien ausnutzt, die beim Durchtritt ionisierender Teilchen erzeugte Anregung in Licht umzuwandeln. Das erzeugte Licht ist eine Funktion der vom Teilchen abgegebenen Energie. Der entstehende Lichtblitz wird zum Beispiel mit einer Photozelle mit nachgeschaltetem Sekundärelektronenvervielfacher nachgewiesen.

Spurdetektoren

Spuren in einer Nebelkammer

Blasenkammern, die direkt Teilchenspuren mit Dampfbläschen, die durch Ionisationsverlust der Teilchen entstehen, sichtbar machen können.
Diffusionskammer
Drahtkammer
Hodoskop
Funkenkammer
Nebelkammer

Tscherenkov-Detektoren

Ein Tscherenkov-Detektor ist ein Detektor, der den Tscherenkow-Effekt zur Detektion von Teilchen nutzt. Es gibt verschiedene Ausführungen, angefangen von der Messung, ob Licht ausgesendet wird (Schwellendetektor), bis zur Bestimmung von Richtung und Öffnungswinkel des Lichtkegels (zum Beispiel RICH und DIRC).

Tscherenkov-Detektoren können sehr groß sein und eignen sich daher als Neutrinodetektoren.

Weitere Verfahren

Übergangsstrahlungsdetektor (engl. Transition Radiation Detector, kurz TRD): Diese Detektoren bestehen üblicherweise aus einem Folienstapel senkrecht zur Richtung des Teilchendurchgangs. Durch den Nachweis von Übergangsstrahlung ist es möglich, die durchlaufenden Teilchen zu identifizieren.
Teilchendetektoren, die langsame Elektronen oder Ionen nachweisen: Die Teilchen lösen ein oder mehrere Elektronen in einer geeigneten Oberfläche aus, diese werden in einen Sekundärelektronenvervielfacher (beispielsweise Channeltron) vervielfacht und nachgewiesen
Elektromagnetisches Kalorimeter

Nachweis von nicht elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen

Neutronendetektoren:
- Schnelle Neutronen werden über elastisch angestoßene geladene Teilchen (meist Protonen) nachgewiesen.
- Langsame und thermische Neutronen werden durch geeignete Kernreaktionen (zum Beispiel mit ¹⁰Bor) und Nachweis der dabei entstehenden geladenen Teilchen nachgewiesen.
Neutrinodetektoren
Hadronisches Kalorimeter
Phasenübergangsthermometer

Literatur

Glenn F. Knoll: Radiation detection and measurement. 2^nd ed. New York: Wiley, 1989. ISBN 0-471-81504-7.

Weblinks