Szintillationszähler-Experiment Versuchsaufbau 2012-2016

Das Szintillationszähler-Experiment misst Myonen, die in Luftschauern bei der Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit der Atmosphäre entstehen. Dazu werden Szintillatorplatten genutzt, ähnlich wie beim CosMO-Experiment.

Die beiden 25x25 cm² großen Detektoren werden jeweils von zwei PMTs ausgelesen. Nur wenn beide PMTs pro Detektor ein Signal registrieren, wird das auch als Detektion eines Myons gewertet. Damit erreicht man eine gute Unterdrückung von Fehlsignalen.

Das Szintillationszähler-Experiment besteht aus folgenden Komponenten (entsprechend der Nummerierung auf dem Foto):


1. zwei Szintillationszähler-Detektoren im Abstand von 40 cm,
2. einer DAQ-Karte (vom Fermilab QuarkNet-Experiment),
3. ein Netbook, auf dem ein spezielles Programm arbeitet, das nicht nur die Daten speichert, sondern auch analysiert, damit sie über das interne Netzwerk der Polarstern einmal täglich zum DESY übertragen werden können.

 

Szintillationszähler-Experiment Versuchsaufbau ab 2017

Das neue Experiment besteht aus zwei im Abstand von 50 cm übereinander angeordneten Detektorebenen. Eine Ebene enthält jeweils 4 von einander unabhängige Szintillatorplatten.



Um Fehlsignale zu unterdrücken, wird jeder Szintillator von zwei PMTs ausgelesen. Die neue Datenausleseelektronik ermöglicht es, die Koinzidenz der beiden Signale eines Szintillators zu definieren und dann Koinzidenzen zwischen den Szintillatoren der oberen und unteren Ebene zu fordern.

Für ein einzelnes Myon erhält man 16 mögliche Richtungskombinationen. Da der Seegang ein Rollen und Stampfen der "Polarstern" verursacht, ist die Richtungsinformation nicht sinnvoll. Daher werden nur zwei Variablen gespeichert: mu_rate, die Gesamtzahl der Myonen pro Stunde (Summe aller 16 Kombinationen), und sh_rate, die Anzahl der Schauerereignisse, bei denen alle 8 Szintillatoren gleichzeitig ein Signal zeigen.

 

Neutronen-Monitor Versuchsaufbau

Der Neutronen-Monitor ist ein Detektor zur Messung von Neutronen, die bei Wechselwirkungen hadronischer kosmischer Teilchen (Protonen, leichte Kerne) mit Molekülen der Erdatmosphäre entstehen. Eine Beschreibung der Funktionsweise findet sich im Glossar.

Er besteht aus den folgenden Komponenten:
 

• einem Detektor
• einer Elektronik-Box zur Signalverwertung
• einem Computer zur Datennahme

 




 

Datenstruktur

Die Daten auf Cosmic@Web enthalten folgende Informationen: die Zeit, die Teilchenrate pro Stunde vom Szintillationszähler und vom Neutron-Monitor, Wetterinformationen wie Luftdruck, Temperatur sowie die Koordinaten der Polarstern. Weitere Informationen findest du in der Datensatzbeschreibung.

 

Mögliche Aufgabenstellung

Mit den Daten der beiden Experimente auf der Polarstern ergeben sich mehrere mögliche Aufgabenstellungen:
 

• Messung des Geomagnetischen Cut-Offs, also die Abhängigkeit der Rate kosmischer Teilchen von der geografischen Breite.
• Verfolgen der Schiffposition mit Hilfe der GPS Daten. Aus der Zeit und Position lässt sich die Schiffsgeschwindigkeit auf der Route berechnen und darstellen.
• Bestimmung der Rate kosmischer Teilchen in Abhängigkeit der Wetterbedingungen.
• Auswerten der Wetterdaten. Dies ermöglicht einen großartigen Einblick in das Weltwetter, besonders in die Wetterbedingungen am Äquator, in den Gewässern der Antarktis und im Nordpolarmeer.
• Suche nach Sonneneruptionen, bei der Unmengen kosmischer Teilchen explosionsartig von der Sonne ausgestoßen werden. Die Rate kosmischer Teilchen überschreitet dabei kurz deutlich den über alle Zeit gemittelten Wert. Je nach Stärke der Eruption wird die Ionosphäre dadurch beeinflusst und elektromagnetische Störungen hervorrufen.
• Vergleich der Teilchenraten vom Szintillationszähler und Neutronen-Monitor.
• Vergleich der Daten mit den Ergebnissen anderer Experimente, z.B. Satellitenexperimete zur Sonnenbeobachtung. Natürlich kann man auch die Daten von der Polarstern mit denen auf der Neumayer-Station vergleichen.

 

 

Beispieldiagramme

Auf der Plattform Cosmic@Web finden sich unter der Session-ID Polarstern einige Beispieldiagramme.

 

Myonrate-Breitengrad-Diagramm
 



In diesem xy-Diagramm werden die Myonraten, die 2015 bei verschiedenen Breitengraden gemessen wurden, abgetragen.
Die genauen Einstellungen sind auf der Session-ID Polarstern zu finden.
 

• Wie lässt sich das Diagramm interpretieren? Wie kann man diesen Verlauf erklären?

Verfolgen der Schiffsposition
 



Mit Hilfe der Informationen zu Längen- und Breitengraden in jedem Datensatz lassen sich Karten erstellen.
Zusätzlich zu den Koordinaten wird in dieser Karte farbig die Zeit dargestellt, sodass nachvollzogen werden kann, wann sich die Polarstern wo befunden hat.

 

Weiterführende Links

 


• Neutron Monitor Database
  Neutronenmonitor-Messungen von Stationen auf der ganzen Welt