Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg
vom 11. bis zum 21. April 2011
Von Joris Krüger
In der Zeit vom 11.04.2011–21.04.2011 absolvierte ich am DESY in Hamburg ein Praktikum. Am ersten Tag beim Deutschen Elektronen Synchrotrons (DESY) lernte ich vorab bei einer Führung über das Gelände viel über die verschiedenen Arbeitsbereiche des Institutes und erhielt eine kurze Einführung in allgemeine Grundlagen der Teilchenphysik und Forschung mit Photonen.
Compact Muon Solenoid (CMS) im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC)
Während meines Praktikums arbeitete ich in einer Gruppe mit, die am CMS Experiment am Teilchenbeschleuniger LHC beim Europäischen Kernforschungszentrum bei Genf beteiligt ist. Dort werden Protonen auf einer 27km langen Kreisbahn beschleunigt und zum kollidieren miteinander gebracht. Von einem genauen Messen der bei der Kollision entstehenden Teilchen im CMS Detektor erhofft man sich neue Erkenntnisse über deren Beschaffenheit. Um zukünftig bei höheren Intensitäten messen zu können und damit mehr Daten zur Analyse zu erhalten, müssen die Detektormodule verbessert werden. Die neuen Module so zu entwerfen, dass sie noch präziser werden und möglichst lange instand bleiben – damit befasste sich Andreas, der mich während meines Praktikums betreute.
In diesem Vakuumbehälter führten wir unsere praktischen Experimente durch.
Bei diesem Experiment haben wir den durch die Materialstäbe aus Edelstahl, Messing und Kupfer fließenden Wärmestrom gemessen. Dazu haben wir die Materialien auf einen gekühlten Tisch in ein Vakuumbehältnis gestellt und mit PT100 Widerstandsthermometern die Temperaturen an beiden Enden gemessen. Mit der Temperaturdifferenz (∆T) und den für jedes Material festgelegten Wärmeleitwert (Gth) lässt sich dann der Wärmestrom (Iw) mit der Formel Iw = ∆T * Gth bestimmen.
Primär ging es bei dem Versuch jedoch darum zu ermitteln, wie gering unserer Druck im Behälter sein müsste um Ungenauigkeiten der Ergebnisse durch Konvektion zu vermeiden. Die folgende Grafik zeigt uns, dass unser Vakuum nicht gut genug war um die Konvektion durch die Luft ausschließen zu können. Denn sonst hätten wir zwischen den beiden niedrigsten Temperaturdifferenzwerten bei den jeweiligen Materialen keinen so großen Unterschied gemessen. Das bedeutet, es gelangt immer noch Wärme von der Umgebung auf die Stäbe. Dies soll in Zukunft durch eine bessere Vakuumpumpe verhindert werden.
Angezeigt wird hier die Temperaturdifferenz zwischen dem gekühlten unteren Ende und dem oberen Ende der verschiedene Materialien in Abhängigkeit vom Druck.
In dem vorherigen Versuch mussten wir sehr genaue Temperaturmessungen mit PT100 Widerstandsthermometer durchführen. Um die Genauigkeit dieser zu gewährleisten, befestigten wir sie zunächst zusammen mit einem geeichten Thermometer in einem Ethanolbad. Die Temperatur in dem Bad variierten wir in mehreren Stundenabständen von -20⁰C bis zur Raumtemperatur. Dann konnten wir die mit dem Programm Root ausgewerteten Daten für die PT100 Widerstandsthermometer anhand der Referenztemperatur durch das geeichte Thermometer kalibrieren. Somit erhielten wir 10 Widerstandsthermometer, die eine Temperatur auf 0,02°C genau bestimmen konnten.
Im Diagramm in Blau zu sehen sind die Temperaturen (in °C) der PT100 Widerstandsthermometer in Abhängigkeit der Zeit (in s) und in Rot die Referenztemperatur des geeichten Thermometers vor der Kalibrierung.
Zweck der zuvor beschriebenen Versuche war es, herauszufinden, in was für einem Versuchsaufbau die neuen Module getestet werden können. Es ist sehr wichtig, dass die Module, wenn sie im CMS eingebaut sind, lange halten und sich nicht bei den dort herrschenden Temperaturen (ca. –30°C) so stark verformen, dass sie die Messergebnisse verfälschen. Da der ganze Detektor 21 Meter lang und 15 Meter hoch ist, sind die Einzelteile nicht so leicht zu ersetzen.
In einem weiteren nur simulierten Versuch beschäftigte ich mich damit, herauszufinden, unter welchen Einstellungen man die Verbiegung der Module am besten messen könnte und wie gravierend sich auch nur kleine Ungenauigkeiten im Aufbau bemerkbar machen würden. In der Simulation sendete eine Lichtquelle hinter einem Gitter ein gleichförmiges Punktmuster auf eine reflektierende Oberfläche, die wiederum von einer Kamera gefilmt wurde. Mit einem Programm, das Andreas‘ Arbeitskollege Jan geschrieben hatte, konnte man sich durch das von der Kamera aufgenommene Bild die reflektierende Oberfläche graphisch darstellen lassen und somit gegebenenfalls auch eine Verbiegung dieser beobachten. Hierbei waren der Kamera- und Gitterabstand sowie deren Blickwinkel zur reflektierenden Oberfläche genau festgelegt. Testergebnisse ergaben, dass schon Veränderungen der Brennweite der Kamera im Millimeterbereich große Ungenauigkeiten im Hinblick auf die Rekonstruktion mit sich bringen würden.
Hier befestige ich die PT100 Widerstandsthermometer …
… mit Vakuumknete an den einzelnen Materialstäben
Der Vakuumbehälter muss fest verschlossen werden, damit sicher keine Luft die Versuchsergebnisse beeinträchtigt.
Im CMS Kontrollraum ließ ich mir die im Labor genommenen Daten mit dem Programm Root graphisch darstellen und wertete sie aus.
Abschließend kann ich sagen, dass sich das Praktikum für mich sehr gelohnt hat. Es war mir möglich einen Überblick über die Arbeit, die die Wissenschaftler hier am DESY leisten, zu bekommen. Es gab einen super Ausgleich zwischen theoretischer und praktischer Arbeit und ich lernte in dieser Zeit viel über Teilchenphysik dazu. Das Praktikum blieb bis zum Schluss hin eine Erfahrung, die gerne gemacht habe, was auch daran gelegen hat, dass ich selbst richtig mitarbeiten konnte. Ich habe letztendlich den Eindruck erlangt, dass meine Arbeit die Entwicklung der neuen Module zwar in kleinen Schritten, aber dennoch vorangebracht hat. Für mich war es sehr interessant und spannend und zeigte mir, wie der Alltag eines Physikers aussehen kann. Ich möchte mich bei allen bedanken, die mir das Praktikum beim DESY ermöglicht haben und mir während dieser Zeit viele Sachen zeigten und erklärten, viele Fragen beantworteten und mich in ihre Arbeit mit hinein nahmen. Es hat mir sehr gefallen. Vielen Dank!