3.5 – Nachweis von Sekundärelektronen

 

Hier wird die Wechselwirkung von Strahlung mit Elektronen genutzt. Durch die Wechselwirkung entstehen entweder ein primäres Elektron oder mehrere primäre und sekundäre Elektronen.

Mögliche Wechselwirkungen, bei denen Elektronen entstehen:

  • Elastische Streuung (Rutherford)
  • Compton-Effekt
  • Photoeffekt
  • Paarerzeugung (e+e-)
  • Neutronen: Kernreaktionen \Rightarrow sekundäre Elektronen

Der Nachweis von Elektronen ist also sehr wichtig.

3.5.1 Photoeffekt

Für den Photoeffekt hat Albert Einstein den Nobelpreis erhalten. Messaufbau:

photoeffekt-einstein-aufbau-messung-versuch

Durch einfallende Strahlung wird ein Elektron aus der negativ geladenen Platte gelöst. Dieses wandert zu der positiv geladenen Platte und kann mit einem Strommessgrät nachgewiesen werden.

Dieses Prinzip wird in der Photozelle benutzt um einen Photostrom zu messen. Dieser ist proportional zur einfallenden Intensität.

I = \frac{{dE}}{{A \cdot dt}}

Voraussetzungen für den Photoeffekt:

  1. Energie der Strahlung größer als die Austrittsarbeit: {E_f} = hf > {E_A}
  2. Das Elektron wird an der Oberfläche erzeugt, da es sonst sofort rekombinieren würde. Daher ist dieser Effekt nicht so gut für den Nachweis für Strahlung mit großer Eindringtiefe (z.B. Röntgenstrahlung) geeignet.

Nachteil / Begrenzung:

Es entsteht nur ein Elektron pro einfallendem Teilchen. Wenn man einzelne Teilchen nachweisen möchte hat man also ein Problem.

3.5.2 Photomultiplier

Aufbau:

photomultiplier-aufbau

[Bildquelle: hamamatsu.com]

Durch den nicht-ohmschen Widerstand an der Photokathode gibt es nur geringes Stromrauschen.

Thermische Emission:

I \sim {T^2}\exp \left\{ {-\frac{{{E_A}}}{{kT}}} \right\},\quad \quad kT \approx 25meV

Dadurch entsteht eine Dunkelzählrate, die man sehr genau kennen muss, wenn man einzelne Teilchen nachweisen will.

Für jedes Elektron bekommt man einen sehr kurzen Strompuls im Bereich Nanosekunden bis Pikosekunden.

photomultiplier-trigger-strompuls-nanosekunde

Mit Triggerschaltung und Zähler können Elektronen gezählt werden.

Vorteile:

  • Sehr gute Zeitauflösung (bis 100 ps)
  • Quanteneffizienz \varepsilon = \frac{{{N_{Det}}}}{{{N_{mess}}}} = 25\%
  • Einzelteilchennachweis
  • Nachweis “aller” Teilchen mit Szintillation:

    szintillation-photomultiplier

    [Bildquelle: chemgapedia.de]

3.5.3 Micro-Channel-Plate (MCP)

Schematischer Aufbau:

micro-channel-plate-funktion-aufbau

[Bildquelle: wikipedia.org]

proximity-focused-image-intensifier

[Bildquelle: micro.magnet.fsu.edu]

Vorteile:

  • Ortsauflösend
  • Schnell (schneller als 30ps, Pulslängen kleiner als 1ns)

Nachteile:

  • Sehr empfindlich
  • Teuer in der Herstellung und im Betrieb

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