Szintillatoren aus reinem CsI

Für die Szintillatoren des ATHENA-Experiments werden reine CsI-Kristalle verwendet. Die Kristallstruktur des CsI ist in der Abbildung dargestellt. Es handelt sich um ein einfach kubisches Bravais-Gitter mit der Gitterkonstante $a=0.456$ nm. Die Basis ist 1 Cäsium- und 1 Iodatom, die um eine halbe Raumdiagonale gegeneinander verschoben sind. Pro Elementarzelle gibt es eine Basiseinheit. Die Koordinationszahl beträgt 8. Die atomaren Koordinaten in Einheiten der Gitterkonstante sind für das Cäsiumatom $(000)a$ und für das Iodatom $(\{12\}\{12\}\{12\})a$.

  
Abbildung 4: Darstellung der Kristallstruktur des reinen CsI.

Für die Szintillatoren des ATHENA-Experiments werden reine CsI-Kristalle verwendet. Die Kristallstruktur des CsI ist in der Abbildung dargestellt. Es handelt sich um ein einfach kubisches Bravais-Gitter mit der Gitterkonstante $a=0.456$ nm. Die Basis ist 1 Cäsium- und 1 Iodatom, die um eine halbe Raumdiagonale gegeneinander verschoben sind. Pro Elementarzelle gibt es eine Basiseinheit. Die Koordinationszahl beträgt 8. Die atomaren Koordinaten in Einheiten der Gitterkonstante sind für das Cäsiumatom $(000)a$ und für das Iodatom $(\{12\}\{12\}\{12\})a$.

Reine CsI-Kristalle werden bei Raumtemperatur als schnelle Szintilatoren (Abklingzeit $\tau 10$ ns) benützt, obwohl -- im Vergleich zum NaI(Tl)-Szintillator -- die Lichtausbeute nur etwa 5 bis 8% betraägt (Ref. [6, 7]). Untersuchungen (Ref. [8, 9]) zeigen, dass sich die Szintillationseigenschaften des reinen CsI bei tiefen Temperaturen ändern. Die Lichtausbeute wird 5 bis 10 mal grösser und die Abklingzeit wird $\tau 1\mu$s. Da die publizierten Ergebnisse im Detail ungenau und teilweise sogar widersprüchlich sind, ist eine neue Untersuchung notwendig. Insbesondere müssen quantitative Aussagen gemacht werden können über

• Die Anzahl produzierter Photoelektronen in Abhängigkeit der Kristalltemperatur.
• Die Ansprechzeit des Szintillators in Abhängigkeit seiner Temperatur.
• Das Optimale Reflexionsverhalten der Oberfläche und die Verwendung von Reflektoren.

Bei den Testmessungen wurden Photomultipliers verwendet. Diese sind gegenüber Magnetfeldern empfindlich. Im ATHENA werden später magnetfeldunempfindliche Photodioden benützt.
Die Arbeit ist wie folgt aufgebaut. In Kapitel 2 wird der mechanische Aufbau der Kristalltestapparatur und die genaue Temperaturbestimmung besprochen. In Kapitel 3 wird die zur Auslese des Szintillationslicht benützte Elektronik und die dazugehörende Computerprogramme erläutert. Die Messergebnisse werden in Kapitel 4 gegeben. Weitere Messergebnisse, die nicht in direktem Zusammenhang mit dem ATHENA-Experiment stehen, werden in Kapitel 5 vorgestellt und interpretiert. Die wichtigsten Resultate und der Vergleich mit publizierten Ergebnissen werden in Kapitel 6 diskutiert.