Was ist Blasenkammer – Definition

Blasenkammern sind Teilchendetektoren, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen wie Nebelkammern. In der Blasenkammer zeigen sich die Spuren subatomarer Partikel als Spuren von Blasen in einer Flüssigkeit, die bis knapp unter ihren Siedepunkt erhitzt wird, normalerweise flüssiger Wasserstoff. Blasenkammern können physikalisch größer als Nebelkammern gemacht werden, und da sie mit viel dichterem flüssigem Material gefüllt sind, zeigen sie die Spuren von viel energetischeren Partikeln. Ein energetisch geladenes Teilchen (zum Beispiel ein Alpha- oder Betateilchen) interagiert mit der Flüssigkeit und die Flüssigkeit tritt in eine überhitzte, metastabile Phase ein. Um die Ionisationsstrecke herum verdampft die Flüssigkeit und bildet mikroskopisch kleine Blasen. Die Blasendichte um eine Spur ist proportional zum Energieverlust eines Teilchens.

Es muss betont werden, dass Blasen, die in diesen Vorrichtungen Spuren bilden, auf Ionen wachsen, die durch den Durchgang ionisierender Partikel erzeugt werden. Daher muss dieser Ionisationsprozess analysiert werden. Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise . Daher ist die Kenntnis dieser Wechselwirkung, wie unterschiedliche Partikel Energie in der Materie speichern und wie viel Energie Partikel speichern, für unser Verständnis des Problems von grundlegender Bedeutung. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alpha-TeilchenSie sind ziemlich massiv und doppelt positiv geladen, so dass sie in der Regel nur eine kurze Strecke zurücklegen und wenn überhaupt nicht sehr weit in das Gewebe eindringen. Alphateilchen lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper eindringen) und richten diesen wenigen Zellen mehr Schaden an. Infolgedessen hinterlassen Alphateilchen kurze, aber signifikante Spuren in der Kammer.

Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen. Daher hinterlassen Betateilchen längere, aber weniger sichtbare Spuren in der Kammer.

Wenn ein Magnetfeld über die Nebelkammer angelegt wird, krümmen sich positiv und negativ geladene Partikel nach dem Lorentz-Kraftgesetz in entgegengesetzte Richtungen.

Ionisations- und Spurinformationen

Es muss betont werden, dass Tropfen, die in diesen Vorrichtungen Spuren bilden, auf Ionen wachsen, die durch den Durchgang ionisierender Partikel erzeugt werden. Daher muss dieser Ionisationsprozess analysiert werden. Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise . Daher ist die Kenntnis dieser Wechselwirkung, wie unterschiedliche Partikel Energie in der Materie speichern und wie viel Energie Partikel speichern, für unser Verständnis des Problems von grundlegender Bedeutung. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alpha-TeilchenSie sind ziemlich massiv und doppelt positiv geladen, so dass sie in der Regel nur eine kurze Strecke zurücklegen und wenn überhaupt nicht sehr weit in das Gewebe eindringen. Alphateilchen lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper eindringen) und richten diesen wenigen Zellen mehr Schaden an. Infolgedessen hinterlassen Alphateilchen kurze, aber signifikante Spuren in der Kammer.

Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen. Daher hinterlassen Betateilchen längere, aber weniger sichtbare Spuren in der Kammer.

Wenn ein Magnetfeld über die Nebelkammer angelegt wird, krümmen sich positiv und negativ geladene Partikel nach dem Lorentz-Kraftgesetz in entgegengesetzte Richtungen.

Experimentellen Daten zufolge ist die spezifische Ionisation dN / dx in Nebelkammern, definiert als die mittlere Anzahl von Ionen, die pro Längeneinheit durch ein passierendes Teilchen erzeugt werden, durch die Bethe-Gleichung in erster Näherung sowohl für Elektronen als auch für massereichere Teilchen gut beschrieben .

Bremskraft – die Formel

Eine bequeme Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppkraft . Die lineare Stoppkraft des Materials ist definiert als das Verhältnis des differentiellen Energieverlusts für das Partikel innerhalb des Materials zur entsprechenden differentiellen Weglänge :

Dabei ist T die kinetische Energie des geladenen Teilchens, nion die Anzahl der pro Pfadlängeneinheit gebildeten Elektronen-Ionen-Paare und I die durchschnittliche Energie, die zur Ionisierung eines Atoms im Medium benötigt wird. Bei geladenen Teilchen nimmt S mit abnehmender Teilchengeschwindigkeit zu . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt. Die nicht-relativistische Formel wurde 1930 von Hans Bethe gefunden. Die relativistische Version (siehe unten) wurde 1932 auch von Hans Bethe gefunden.

In diesem Ausdruck ist m die Restmasse des Elektrons, β ist gleich v / c, was die Geschwindigkeit des Teilchens relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdrückt, γ ist der Lorentz-Faktor des Teilchens, Q ist gleich seiner Ladung, Z ist der Ordnungszahl des Mediums und n ist die Atomdichte im Volumen. Für nichtrelativistische Teilchen (stark geladene Teilchen sind meist nichtrelativistisch) ist dT / dx abhängig von 1 / v ² . Dies kann durch die größere Zeit erklärt werden, die das geladene Teilchen im negativen Feld des Elektrons verbringt, wenn die Geschwindigkeit niedrig ist.

Die Art der Wechselwirkung einer Betastrahlung mit Materie unterscheidet sich von der Alphastrahlung , obwohl Betateilchen auch geladene Teilchen sind. Beta-Partikel haben im Vergleich zu Alpha-Partikeln eine viel geringere Masse und erreichen meist relativistische Energien . Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen. Da die Beta-Teilchen meist relativistische Energien erreichen, kann die nichtrelativistische Bethe-Formel  nicht verwendet werden. Für hochenergetische Elektronen wurde von Bethe auch ein ähnlicher Ausdruck abgeleitetBeschreibung des spezifischen Energieverlusts durch Anregung und Ionisation (die „Kollisionsverluste“).

Darüber hinaus können Beta-Partikel über eine Elektron-Kern-Wechselwirkung (elastische Streuung von Kernen) interagieren , wodurch sich die Richtung der Beta-Partikel erheblich ändern kann . Daher ist ihr Weg nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch das absorbierende Material. Dieser resultierende Partikelpfad ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.

Beta-Partikel unterscheiden sich von anderen stark geladenen Partikeln auch in dem Anteil an Energie, der durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess verloren geht . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .