Detektoren für die Lehre
Aufgrund ihrer günstigen Herstellung und einfachen Visualisierung von physikalischen Vorgängen eignen sich gasgefüllte Detektoren auch als Beispieldetektoren in der Lehre sowohl an der Universität, der Schule und bei Veranstaltungen für die breite Öffentlichkeit. Um die unterschiedlichen Anwendungen abzudecken und die verschiedenen Funktionsprinzipien darzustellen, arbeiten wir an sehr unterschiedlichen Detektoren, die auch klassische Detektoren wie z.B. Drahtkammern, Funkenkammern oder Nebelkammern einschließen. In diesem Bereich stehen nicht nur die Detektoren selbst, sondern auch die didaktischen Konzepten, die zur Vermittlung der Nachweismethoden im Speziellen und der Teilchenphysik im Allgemeinen dienen, im Fokus.
1. CLEOPATRA
CLEOPATRA (CLassroom Experiment On PArticle TRAcking) ist ein in der Entwicklung befindliches Experiment für den Schulunterricht zur Teilchenphysik. Herzstück dieses Experiments ist ein kompakter Teilchendetektor, eine sogenannte Zeitprojektionskammer. Mit ihr können Teilchenspuren in drei Dimensionen und in Echtzeit rekonstruiert werden.
Ziel des Projekts ist es, den Einsatz von gasgefüllten Detektoren in Lehre und Wissenschaftskommunikation zu evaluieren. Dazu wird der Aufbau laufend verbessert. Darüber hinaus werden Materialien für den Einsatz des CLEOPATRA-Detektors im physikalischen Praktikum, im Schulunterricht, auf Ausstellungen oder auf Öffentlichkeitsveranstaltungen entwickelt.
Aufbau des CLEOPATRA-Detektors
Der CLEOPATRA-Detektor verfügt über ein zylindrisches Gasvolumen, das einen Durchmesser von 8 cm hat und 10 cm lang ist. An den Endkappen der Driftregion sind Leiterplatten angebracht, die die Anode und die Kathode bilden. Beide sind mit Anschlüssen für Gas und Hochspannung ausgestattet. An der Anode befindet sich zusätzlich eine segmentierte Ausleseeinheit (von außen nicht sichtbar), die aus vier GridPix-Chips besteht. Zusätzlich kann der Detektor mit zwei Szintillatoren betrieben werden, die als Trigger für die Zeitmessung fungieren.
Funktionsprinzip einer Zeitprojektionskammer
Eine Zeitprojektionskammer besteht aus einem Gasvolumen, das auch als Driftregion bezeichnet wird. Eine Endkappe des Volumens ist eine auf Hochspannung liegende Kathode, die andere Endkappe fungiert als Anode. Innerhalb der Driftregion herrscht dadurch ein elektrisches Feld. Fliegt ein ionisierendes Teilchen durch das Gasvolumen, ionisiert es das Gas entlang seiner Flugbahn. Die dadurch ausgelösten Elektronen bewegen sich auf Grund des elektrischen Feldes zur Anode, wo sie ein Signal induzieren. An der Anode befindet sich eine fein segmentierte Ausleseeinheit. Mit dieser kann der Punkt, an dem ein Elektron ankommt, präzise bestimmt werden. Auf diese Weise wird die Flugspur des detektierten Teilchens auf die Anode projiziert und ist somit in zwei Dimensionen rekonstruiert. Die dritte Raumkoordinate wird über die Zeit bestimmt, die zwischen der Ionisation des Mediums und dem Eintreffen der Elektronen auf der Anode verstreicht. Insgesamt ist also durch durch eine Projektion sowie Verwendung der Zeitinformation eine 3-dimensionale Rekonstruktion der Spur eines Teilchens im Detektor möglich. Dies verleiht dem Detektor den Namen Zeitprojektionskammer.
2. Weitere Detektoren
Funkenkammer, Nebelkammer, Dosendetektor
Desweiteren beschäftigen wir uns auch mit anderen gasgefüllten Detektoren, die sich aufgrund ihres Detektionsprinzips oder Ihrer anschaulichen Darstellung besonders für die Lehre eignen. Diese Detektoren werden von Studenten oder Schülern während eines Praktikums gebaut und getestet. Beispielsweise sind wir dabei, eine Funkenkammer und eine größere Nebelkammer als Demonstrationsobjekte bei Ausstellungen und Messen zu bauen. Im Gegensatz hierzu sind der Spitzenzähler und der Cola-Dosen Detektor dafür bestimmt, mit möglichst einfachen Dingen des täglichen Lebens einen Teilchendetektor zu bauen und dadurch die Neugier und das Interesse der Allgemeinheit und besonders von Schülern zu wecken.
Beispiele für Bachelor- und Masterarbeiten
Hier sind zwei Beispiele für Arbeiten, die sich auch für Bachelor- oder Masterarbeiten von Hardware interessierten Lehramtskandidatinnen und Lehramtskandidaten eignen.
Video über den Bau von CLEOPATRA-Detektoren
In dieser Arbeit sollen 5 weitere CLEOPATRA-Detektoren gebaut werden. Der Vorgang soll medial dokumentiert werden. Zum Abschluss sollte ein kurzes Video entstehen, das als Illustrationsmaterial für Unterrichtseinheiten dient.
Erweiterungen der CLEOPATRA-Detektoren
Um einen größere Anzahl von Experimenten und Anwendungen zu ermöglichen, sollen CLEOPATRA-Detektoren mit besser angepassten Szintillationsdetektoren oder einem Solenoidmagneten kombiniert werden. Design und Konstruktion dieser sollen in der Arbeit angefertigt werden.