Koinzidenzmessung

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Koinzidenz ist das Zusammentreffen von Ereignissen innerhalb einer festgelegten Zeitspanne. In der Messtechnik der Atom-, Kern- und Teilchenphysik bezeichnet Koinzidenzmessung ein Verfahren mit einer Schaltung, die mindestens zwei Eingänge besitzt. Ein Ausgangssignal entsteht nur dann, wenn an allen Eingängen gleichzeitig beziehungsweise innerhalb eines vorgegebenen kurzen Zeitintervalls Impulse auftreten.

Dadurch lässt sich prüfen, ob mehrere registrierte Signale wahrscheinlich zu demselben physikalischen Vorgang gehören. Die Methode wurde zu einem wichtigen Untersuchungsprinzip bei der Erforschung kosmischer Strahlung, von Elementarteilchenprozessen und des Compton-Effekts.

Frühe Entwicklung

Jean Jacques d’Ortous de Mairan (1678–1771) erfand die Koinzidenzmethode ursprünglich für Pendelmessungen. Jean Charles Borda verbesserte sie später.

Für Anwendungen in der Atomphysik war besonders die elektronische Registrierung entscheidend: Walther Bothe und Hans Geiger ließen das Ansprechen ihrer Zählrohre automatisch erfassen und die Koinzidenzereignisse zählen. Damit entfiel die anstrengende visuelle Beobachtung durch die Experimentatoren, und die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wurde wesentlich gesteigert.

Nachweis beim Compton-Effekt

Walther Bothe und Hans Geiger verwendeten die Koinzidenzmessung 1924/25, um nachzuweisen, dass beim Compton-Effekt ein Rückstoßelektron und ein gestreutes Photon gleichzeitig auftreten. Sie lenkten dazu ein schmales Bündel Röntgenstrahlen zwischen zwei Spitzenzähler, die Vorläufer der Geiger-Müller-Zählrohre, in einer Wasserstoffatmosphäre. Wasserstoff absorbiert Röntgenstrahlen nur schwach, streut sie aber stark.

Zählrohr 1 war offen und mit Wasserstoff gefüllt. Weil Photonen im Wasserstoff kaum absorbiert werden, registrierte es fast keine Photonen, wohl aber die Rückstoßelektronen. Zählrohr 2 war mit einer Platinfolie abgedeckt und enthielt Luft. Die Folie absorbierte die Rückstoßelektronen, ließ aber Photonen hindurch. Diese erzeugten in der Luft, in den Wänden des Zählrohrs und in der Folie Photoelektronen, die Zählrohr 2 registrierte.

Da Zählrohr 2 nicht jedes eintreffende Photon erfasste, musste nicht jedes Signal des Elektronenzählrohrs von einem Signal des Photonenzählrohrs begleitet werden. Wenn Zählrohr 2 jedoch ein Photon registrierte und Photon und Rückstoßelektron gemeinsam entstanden, musste gleichzeitig auch Zählrohr 1 ansprechen.

Die Messungen zeigten keine vollständige Übereinstimmung. Ihre statistische Auswertung ergab jedoch Koinzidenzen mit einem Verhältnis von 150.000 gegen 1. Damit war nachgewiesen, dass die Übereinstimmungen nicht zufällig waren und dass Streuung und Erzeugung eines Rückstoßelektrons gleichzeitig stattfinden.

Untersuchung kosmischer Strahlung

Victor Hess entdeckte 1912 bei Ballonfahrten die Höhenstrahlung. Walther Bothe und Werner Kolhörster belegten 1929 mithilfe von Koinzidenzmessungen, dass diese durchdringende Strahlung ihren Ursprung außerhalb der Erde hat.

Sie ordneten zwei oder mehr Geiger-Müller-Zählrohre so an, dass ein Ereignis nur angezeigt wurde, wenn die Zählrohre innerhalb eines vorbestimmten kurzen Zeitintervalls ansprachen. Eine solche Koinzidenz trat ein, wenn dasselbe Teilchen alle Zählrohre durchlief. Durch die Anordnung konnte die Apparatur gezielt Strahlung aus bestimmten Richtungen erfassen.

Die Teilchen fielen bevorzugt senkrecht zur Erdoberfläche ein. Wurde die Apparatur zum Horizont geneigt, sank die gemessene Intensität. Dies sprach für einen außerirdischen Ursprung: Senkrecht einfallende Teilchen legen den kürzesten Weg durch die Erdatmosphäre zurück und werden daher am wenigsten absorbiert.

Moderne Koinzidenzmessung

1954 erhielt Walther Bothe gemeinsam mit Max Born den Nobelpreis für Physik. Ausgezeichnet wurden Bothes Arbeiten über die kosmische Strahlung mit dem Koinzidenzverfahren und über die Kernumwandlung.

Heute ist die Koinzidenzmessung ein wichtiges Untersuchungsmittel für kosmische Strahlung sowie für alle Arten von Kern- und Elementarteilchenprozessen. Die Zeitauflösung, also die kleinste noch unterscheidbare Zeitspanne, betrug bei der Elektronik von Bothe und Geiger etwa 1 ms. Moderne Elektronik erreicht Auflösungen unterhalb von 50 ps. Deshalb begrenzen heute meist die Detektoren selbst und nicht mehr die Elektronik die zeitliche Genauigkeit der Messung.