Beobachtungstechnik
" Indirkte Messung kosmischer Strahlung "

 

Erschließung eines nichtoptischen Strahlungsbereiches für den Unterricht

Am Wilhelm-Ostwald-Gymnasium in Leipzig arbeiten Schüler der 11. Jahrgangsstufe an einem Projekt zur indirekten Messung kosmischer Strahlung mit schulischen Mitteln. Vielleicht ist dies auch eine Anregung für andere Gymnasien, weshalb hier das Projekt vorgestellt wird. Über Beteiligungen anderer Schulen würden wir uns freuen.


INDIREKTE MESSUNG KOSMISCHER STRAHLUNG

Ein Projekt von Christiane Rammelt und Christian Wagner unter Leitung von Peter Scheuermann

Hier ist ein anklickbares Bild unserer Meßanordnung! Bitte laden Sie zunächst das Bild!

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Indirekte Messung kosmischer Strahlung

Im Verlauf des Schuljahres 1996/97 wollen wir mit Hilfe eines Geiger-Müller-Zählrohr-Teleskops indirekt kosmische Strahlung messen. Neben der Untersuchung der Abhängigkeit der Strahlungsintensität von der Zenitwinkeldistanz wollen wir feststellen, ob ein Zusammenhang zwischen Strahlungsintensität und Richtung nachweisbar ist, oder ob sichtbare Erscheinungen der Sonnenaktivität Auswirkungen auf die Zählrate haben. Auch wollen wir versuchen, das Spektrum der Strahlung zu messen.

Schema der Meßanordnung:

Schema der Entstehung kosmischer Schauer:

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Auswertungsprogramm

Bildschirmausdruck des Auswertungsprogramms

Die automatisch erfaßten und in Dateien abgelegten Meßwerte können mittels eines Programms graphisch dargestellt und ausgewertet werden.

Auswertungsprogramm

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Eta Carinae NGC 3372

Das Sternbild Carina befindet sich am südlichen Sternhimmel. Eta Carinae, ein veränderlicher Stern, der von Gasnebeln umgeben ist, liegt mitten in einer der hellsten Regionen der südlichen Milchstraße. Das den Stern umgebende äußere rote Glühen ist Materie, die während eines Helligkeitsausbruchs im letzten Jahrhundert ausgeworfen wurde. Das Material, das sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als drei Millionen Kilometer pro Stunde bewegt, besteht aus Stickstoff und anderen Elementen, die im Inneren des Sterns gebildet worden waren. Dieses Objekt ist eine der Quellen für kosmische Strahlung.

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Jupiter

Das Bild zeigt den sogenannten Großen Roten Fleck - einen riesigen atmosphärischen Wirbel - und die rötlich gefärbten Wolkenbänder im Äquatorbereich. Auf der südlichen Hemisphäre sind kräftig dunkel gefärbte Flecken zu erkennen. Sie stammen vom Einschlag der Bruchstücke des Kometen Shoemaker-Levy 9 in der Zeit vom 16. bis 22. Juli 1994.

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Spiralgalaxie M100 im Sternbild Haar der Berenice

Die Galaxie M100 ist eine typische Spiralgalaxie, ähnlich unserer Milchstraße, wenn wir sie von außen sehen könnten. M100 gehört zu einer großen Ansammlung von Galaxien, dem sogenannten Virgo-Haufen, der aus mindestens 1000 einzelnen Sterninseln besteht. In diesem Haufen ist M100 eine der größten. Kerne von Galaxien sind eine Quelle der energiereichsten Komponente der kosmischen Strahlung.

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Pferdekopfnebel im Sternbild Orion

Drei in einer Reihe stehende Sterne bilden den sogenannten Gürtel im Sternbild Orion. Insbesondere der östlich stehende Stern Zeta ist eingebettet in einen von ihm beleuchteten Gas- und Staubnebel. Etwa ein halbes Grad unterhalb liegt eine dunkle undurchsichtige Staubmaterie vor dem hellen Teil des Nebels. Ein besonders markanter Ausläufer vor dem helleren Hintergrund hat den Namen Pferdekopfnebel erhalten. Auch hier könnte eine der Quellen für kosmische Strahlung liegen.

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Milchstraße in den Sternbildern Ara und Norma

Südlich des Sternbildes Skorpion, also von Europa aus nicht sichtbar, setzt sich die Milchstraße in die angrenzenden Sternbilder Ara und Norma hinein fort. In diesem Teil der Milchstraße sind nur wenige helle Objekte zu sehen. Ein Band von Dunkelwolken ist die Ursache. Dafür treten auf der im Licht des Wasserstoffs gefilterten Aufnahme rote Gasnebel als typische Bestandteile der Spiralarme der Milchstraße hervor. Auch in diesen Gebieten entsteht kosmische Strahlung.

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Ringförmige Sonnenfinsternis am 10. Mai 1994

Eine ringförmige Sonnenfinsternis entsteht, wenn der dunkle Mond die Sonne nur so weit abdeckt, daß ein heller Ring der Sonnenoberfläche sichtbar bleibt. Sie kommt zustande, wenn der Mond auf seiner elliptischen Bahn um die Erde von ihr am weitesten entfernt ist. Am 10. Mai 1994 erschien dadurch die Sonnenscheibe um 2,5 Bogenminuten größer als der Mond. Die solare kosmische Strahlung (auch SEP - solare energetische Partikel) wird vorwiegend bei Eruptionen in der Sonnenatmosphäre (Flares) erzeugt und stellt nur einen geringen Teil der gesamten kosmischen Strahlung dar.

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Bilder aus: Kalender "Unendliches Weltall 1996", Verlag J. Hannesschläger, Neusäß bei Augsburg

Geiger-Müller-Zählrohr

Bild: W. Kuhn:"Physik", Band 1; Westermann Schulbuchverlag GmbH Braunschweig 1994

Aufbau: Im allgemeinen ist das Gehäuse ein Zylinderkondensator (ca. 1 cm Radius und 0.1 mm Wandstärke). In ihm befindet sich isoliert eine zentrale Elektrode, die beim Zählrohr als dünner Draht ausgebildet ist. Die Anordnung wird evakuiert und dann meist mit Edelgasen (Neon, Helium) und Zusätzen organischer Dämpfe unter niedrigem Druck gefüllt.

Die Arbeitsweise des Zählrohrs hängt im wesentlichen von der Potentialdifferenz zwischen Gehäuse und Zentralelektrode ab. Die durch die ionisierende Strahlung freigesetzten Elektronen werden in unmittelbarer Umgebung der Zentralelektrode stärker beschleunigt. Sie nehmen pro freie Weglänge Energie auf, verlieren sie aber häufig durch unelastische Zusammenstöße mit den Molekülen des Füllgasen wieder. Erreichen die Elektronen auf ihrem Weg zur Zentralelektrode bei stetiger Erhöhung der Potentialdifferenz eine kinetische Energie, die die Ionisation eines weiteren Gasmoleküls ermöglicht, so beginnt die sog. Stoßionisation - der Schwellenwert des Proportionalbereiches ist erreicht. Bei weiterer Steigerung der Potentialdifferenz verlagert sich die Zone der ersten Stoßionisation weiter zur Zählrohrwand, die Elektronenlawine läuft an. Erzeugt das ionisierende Teilchen auf seiner Bahn n Elektronen, so löst jedes dieser Elektronen wieder eine Elektronenlawine aus. Wie Erfahrungen gezeigt haben, läuft im Proportionalbereich jede Lawine unabhängig von der anderen ab. Die Anzahl der erzeugten Ionen und Elektronen ist proportional zu n und ebenso der hervorgerufene Stromstoß. Bei weiterer Erhöhung der Potentialdifferenz entstehen beim Auftreffen der Elektronen am Zähldraht und in der Lawine selbst Lichtquanten, die bei ihrem Aufprall am Metall der Zählrohrwand neue Elektronen auslösen können, die ihrerseits zu neuen Lawinen Anlaß geben. Die Lawinen behindern sich schließlich gegenseitig in ihrer Entwicklung, und zwar um so stärker, je dichter die primäre Ionisation verteilt war. Die dicht nebeneinander startenden Lawinen überdecken sich, die Rekombinationsverluste wachsen. Es bleiben daher die Impulse bei hoher Ionisation hinter den zu erwartenden Werten zurück, während die, die von Teilchen geringerer Primärionisation ausgelöst wurden, ansteigen, weil sich die Lawinen gegenseitig weniger behindern. Schließlich wird das ganze Zählrohr von der Entladung erfaßt und die gebildete Ladungsmenge hängt nur noch von der Feldstärke und der Zählrohrlänge ab. Der Stromimpuls ist dann von der Primärionisation unabhängig, jedes primäre Teilchen erzeugt einen gleich großen Impuls. Dieser Zählbereich eignet sich besonders gut zur Bestimmung der Anzahl der eintreffenden Teilchen.

Quelle: Wilhelm Schraml: "Physik 3 - Atomphysik", Bayrischer Schulbuch-Verlag, München 1974

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Geiger-Müller-Zählrohr mit Bleirohr

Wir benutzen zwei gleichartige Zählrohre, die so angeordnet sind, daß der beobachtete Raumwinkel bestimmbar ist: Es werden nur diejenigen Ereignisse registriert, die an beiden Zählrohren gleichzeitig eintreffen. Außerdem ist das eine Zählrohr von einer Bleiummantelung umgeben, deren Bohrung auf das andere Zählrohr ausgerichtet ist. So wird vermieden, daß durch die Strahlung der Erde ausgelöste Impulse erfaßt werden.

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Adapter

Spannungsadapter der Zählrohre

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Halterung mit Nachführung

Die Halterung ermöglicht die Veränderung des Abstandes zwischen den Zählrohren. Auf diese Weise kann der zu beobachtende Raumwinkel variiert werden. Außerdem wurde das Zählrohrteleskop mit einer elektronischen Nachführung versehen, um so zum Beispiel über einen längeren Zeitraum hinweg in Richtung Sonne Messungen durchführen zu können.

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Unsere Schaltung

Die eingehenden Impulse werden zuerst durch einen monostabilen Multivibrator verstärkt. Durch eine bei jedem eingehenden Impuls leuchtende Glühlampe wird eine Lichtschranke ausgelöst. Über zwei in Reihe geschaltete Relais wird erreicht, daß nur gleichzeitig eingehende Impulse erfaßt werden.

Schaltskizze

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Schnittstelle zum PC

Mittels eines Druckerkabels ist unsere Schaltung mit der parallelen Schnittstelle der PC verbunden. Die Änderungen im Zustand der Busy-Leitung werden von einem Programm automatisch protokolliert.

Schaltung

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