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Beobachtungen mit dem Elektronenvervielfacher an kohrenten Lichtstrahlen.

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Beoba chtungen rnit dem E f ektronen vervieZfacher
an koharenten Lichtstrahfenl)
Von A . A d a m , L. J d n o s s y und P. V a r g a
Mit 2 Abbildungen
Inhaltsiibersicht
Es wird experimentell gezeigt, daB Photonen, die sich in koharenten
Lichtstrahlen bewegen, keine Korrelation miteinander zeigen .
I.
NtLch der Quantentheorie ist zu erwarten, daB die Photonen in einem koharent gespaltenen Lichtstrahl sich in der einen oder in der anderen Komponente
befinden. Konkret bedeutet dies das Folgende.
Betrachten wir einen Lichtstrahl, der an einem halbdurchsichtigen Spiegel
in zwei koharente Komponenten gespalten wird. Wenn wir die Komponenten
auf die Kathoden zweier Elektronenvervielfacher fallen lassen. dann konnen
wir die einzelnen in den
Strahlenkomponenten sich
befindenden Photonen registrieren. Nach der Quantentheorie mussen wir erwarten, daB die in den zwei
Vervielfachern registrierten
Impulse unabhangig voneinander sind und daher
keine systematischen KoinI
zidenzen zu erwartcn sind.
I
I
Wir
haben uns die Aufgabe
I
I
gestellt,
diese Voraussage
I
der Quantentheorie expec9 4
rimentell zix prufen.
Abb. 1. L, L,,L, Lichtquellen, S halbdurchlissiger
Unsere VersuchsanordSpiegel, V,, V , Elektronenvervielfacher. Zl, 2, Zahlnung ist in Abb. 1 schemaanordnungen fur die Einzelimpulse, K Ziihlanordnung
fur die Koinzidenzen
tisch gezeigt. Aus einer
Lichtquelle L wird durch
einen Monochromator ein Lichtstrahl mit der Wellenlange um 5000
herausgefiltert. Dieser Strahl wird noch weiter geschwacht und fallt rnit
kleiner Intensitiit auf den halbdurchlassigen Spiegel S . Der reflektierte
l)
Vorgetragen von 12. J B n o s s y in Dresden, April 1954.
A . ddum, L. JEinossy
u.
P. Vurgu: Beobachtungen mit dem Elektronenvervielfaeher 403
Strahl fallt dann auf die Kathode des Vervielfachers V , auf, der durchgehende Strahl auf die Kathode des Vervielfachers V2. Die in den Vervielfachern ausgelosten Impulse werden in der ublichen Weise verstarkt und
uniformisiert. Die uniformisierten Impulse werden mittels einer Koinzidenzanordnung, deren Auflosungsvermogen rund 2 psec betragt, gemischt. Sowohl
die einzelnen Impulse wie die Koinzidenzen werden gleichzeitig mit Zahlwerken
registriert. Die Koinzidenzen werden direkt gezahlt, die einzelnen Impulse
jedoch erst nach geeigneter elektrischer Reduktion. Wegen des endlichen
Auflosungsvermogens der Anordnung werden stets Koinzidenzen registriert,
da zumindest zufallige Koinzidenzen auftreten.
Zur Entscheidung der Frage, ob alle mit der Anordnung registrierten
Koinzidenzen zufallige Koinzidenzen sind, oder ob die Anordnung auch
systematische Koinzidenzen zeigt, fuhrten wir folgende Hilfsmessung aus.
Wir beleuchten die Kathoden der Vervielfacher erst mit den unabhangigen
Lichtquellen L,, L, und dann mit der Lichtquelle L, welche das koharente
Licht erzeugt, und zwar so, daB die Intensitaten der auf die Vervielfacher fallenden Lichtstrahlen in beiden Fallen ungefahr gleich sind. I m Fall der unabhangigen Lichtquellen konnen wir nur zufallige Koinzidenzen erwarten, im
Fall der koharenten Beleuchtung konnen dagegen auch systematische Koinzidenzen auftreten. Wir konnen nun die Haufigkeit der Zufallskoinzidenzen
im Fall der unabhangigen Lichtquellen mit der Zahl der Koinzidenzen im
Fall der koharenten Beleuchtung vergleichen ;nd aus dem Vergleich feststellen,
ob im Fall des koharenten Lichtes sich mehr Koinzidenzen ergeben als im Fall
der unabhangigen Lichtquellen.
Wie wir spater zeigen werden, ist es fiir die Auswertung der Ergebnisse notwendig, die Ansprechwahrscheinlichkeit der Vervielfacher fur Photonen zu
bestimmen. Diese Bestimmung geschah vermittels einer kalibrierten schwachen
Lichtquelle. Vorlaufige Messungen ergaben fur die Ansprechwahrscheinlichkeit den Wert 1/300. Die GroBenordnung dieses Wertes stimmt mit den in der
Literatur angegcbenen Werten uberein. Unsere Bestimmung kann aber nur
als vorlaufig betrachtet werden und ist nur gro13enordnungswaBig verlaBlich -
11.
Bevor wir die MeBergebnisse auswerten, miissen wir uns kurz mit der
Statistik des Problems befassen.
Wir kiihlten in unseren Messungen die Verviclfacher mit flussiger Luf t,
so daB wir die Dunkelstromimpulse vernachlassigen konnten. Wir haben also
fur die Zahl N der pro see im Vervielfacher registrierten Impulse
N=np.
n ist die Zahl der Photonen in einem Lichtstrahl pro sec und p~ 1/300 die
Ansprechwahrscheinlichkeit des Vervielfachers. Wenn wir fur den Augenblick
annehmen, da13 die Intensitaten der zwei koharenten Strahlen gleich sind, dann
bekommen wir fur die Zahl der zufalligen Koinzidenzen
K i= 2 N2t.
t ist die Auflosungszeit der Koinzidenzanordnung. Wenn wir nun annehmen,
dal3 im Fall von koharentem Licht neben den zufalligen Koinzidenzen auch
410
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 16. 1955
systcmatische Koinzidenzen auftreten, dann konnen wir fiir die Zahl der
systematischen Koinzidenzen schreiben
K,
=E
p2 n
=E
p N,
wobei E der Bruchteil der Photonen ist, der solche systematischen Koinzidenzen
verursacht ; der Faktor p2 driickt die Ansprechwahrscheinlichkeit der beiden
Vervielfacher aus.
K , kann mit Hilfe von inkoharentem Licht direkt gemessen werden, wahrend K , aus der Differenz der Koinzidenzen
K,
= Kk- K ,
bestimmt werden kann, wo K k die Zahl der Koinzidenzen im Fall koharenten
Lichtes bedeutet. Auf diese Weise bekommen wir also
Damit ist die Bestirnmung von E auf direkt gemessene GroDen zuruckgefuhrt.
DaB einc genaue Bestimmung von E auf diese Weise moglich ist, zeigt das
folgende Zahlenbeispiel. Nehmen wir
N = 100/sec,
z=2
. 10-6 see,
dann erhalten wir
K i= 4 . l0-4/sec.
Wenn
E
die GroBenordnung 1 hatte, dann wiire
K,
100
=300 =
O,S/sec,
also die Zahl der systematischen Koinzidenzen wiire im Fall E = 1 vie1 groBer
als Ki,
d. h. eine Messung von wenigen Minuten miiBte das Auftreten von systematischen Koinzidenzen zeigen.
Tatsachlich zeigt die Messung sofort, daB zwischen K , und K , kein solcher
groBer Unterschied auftritt, und deswegen miissen wir die Frage diskutieren,
welche obere Grcnze kann aus gegebenen Beobachtungen fur E festgestellt
werden. Wenn wir annehmen, daB K , sowie K i und ferner N nur statistische
Schwankungen zeigen, d. h. daB ihre Verteilung durch eine P o i s s o n -Verteilung gegeben ist, dann ergibt sich als Resultat einer einfachen Rechnung die
folgende Abschatzung fur den Fchler BE von 8:
wobei t die gesamte Zeitdauer der Mel3reihe in koharentem bzw. inkoharentern
Licht bedeutet. Die obige Formel ist nur in dem uns interessierenden Fall
giiltig, wenn niimlich E klein ist, d. h. K k Ki.Nehmen wir eine funfstundige
MeBreihe, d. h .
t e 20000 sec.
N
-
Dann bekommen wir BE rn 6
Wenn wir also Effekte, die den statist ischen Fehler um das Dreifache ubertreffen, ausschliegen, dann konnen wir m it
A . Addm, L. Jdnossy u. P . Varga: Beobachtungen mit dem Elelctronenvervielfacher
411
einer MeBreihe von mehreren Xtunden zeigen, daB E falls nicht 0 doch kleiner
als 2% sein mu& Wie wir spater sehen werden, haben unsere Messungen zu
einem Resultat von ungefahr dieser Genauigkeit gefuhrt.
111.
Bei der Auswertung der Messungen muBte in Betracht gezogen werden
erstens, daB die zwei koharenten Komponenten nicht genau gleiche Intensitaten hatten, zweitens war die Intensitat der inkoharenten Hilfslichtquellen
nicht genau gleich der Intensitat bei koharenter Beleuchtung. Es war daher
xweckmaflig, nicht die Zahl der Koinzidenzen bei koharentem und inkoharentem Licht, d. h. K kund K , ,sondcrn bei der praktischen Auswertung der Messungen die entsprechenden Auflosungsvermogen zu vergleichen. F u r jede einzelne Messung rechnen wir also ein effektives Auflosungsvermogen aus und
vergleichen, ob sich die so berechnoten Werte im Fall von koharentem und
inkoharentem Licht unterscheiden. Das heifit, wir rechneten fur jede inkoharente Messune: aus
und ahnlich fur jede Messung mit koharentem Licht
Falls E nicht 0 ist, wiire zu erwarten, da13 zk > -c ist. Die tatsiichlichen MeBreihen xeigten innerhalb der statistischen Unsicherheit keinen Unterschied
zwischen zk und z. Bei zehnstundiger MeBzeit und Zweiminutenablesungen,
die abwechselnd nach Beleuchtung mit koharentem und inkoharentem Licht
vorgenonimen wurden, erhielten wir als Ergebnis
tk=
2,484 & 0,022 psec,
z = 2,425
0,022 psec.
Aus diesen Werten hekommen wir fur
E
= 0,0076
E
+ 0,0040,
d. h., wenn wir den dreifachen statistischen Fehler als unwahrscheinlich ausschliefien, kommen wir zu dem SchluB, daB unsere Messungen nicht vertraglich
sind mit einem E , das groBer als 2% ist.
Bei der statistischen Ausarbeitung des Materials kamen wir zu dem SchluR,
daB die Elektronenvervielfacher zwar langsame Schwankungen der Intensitat
zeigen, daB aber diese Schwankungen die oben gemachte Voraussetzung der
statistischen Schwankung der eirizelnen Werte im Fall unserer zweiminutigen
Ablesungen nicht ungultig machen. Die Untersuchung der mittleren Xchwankungsquadrate der Ablesungen zeigte, daB MeBreihen von 10-50 Zweiminutenablesungen nur die naturliche Schwankung zeigen.
IV.
Obwohl die oben beschriebenen Cntersuchungen zufriedenstellend zeigten,
da13 die Empfindlichkeitsschwankungen der Vervielfacher unsere Resultate
nicht verfiilschcn konnten, wiederholten wir wegen der Wichtigkeit der Frage-
412
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 16. 1955
stellung die Messungen mit einer erweiterten Anordnung. Das Blockschema
der neuen Anordnung zeigen wir in Abb. 2. Das Prinzip der Anordnung ist
das folgende.
Wir steuern die drei Lichtquellen, d. h. die Lichtquelle L, die die koharenten
Strahlen erzeugt und die zwei unabhangigen Lichtquellen L, und L,, die die inkoharenten St.rahlengeben, mit einem Impulsgenerator, so daB fur etwa 1/100sec
das koharente Licht einge- -- --- - - - - - - - - - - - - schaltet ist und fur die
darauf folgende l / l O O sec
I
die zwei inkoharenten
I i
Lichtquellen eingeschaltet
~i
sind. Dies wiederholt sich
I i
periodisch. Der Impulsgenerator leitet die Impulse
der Vervielfacher in gel
I
inkah.
hob,
eignete Kanale, so daB wir
im Endresultat gleichzeitig
\
sechs GroBen messen ;nam\
I
lich die Einzelimpulse der
Vervielfacher im Falle der
1
.
'.
koharenten Beleuchtung,
I
I
!
die Einzelimpulse im Falle
II
I.
der inkoharenten Beleuchtung; ferner die Zahl der
: !L. _ _ _ . _ . _ . _ . _ . _ . _ . _ ;-.J
Koinzidenzen unter ent I-_-----------------J
sprechenden Umstanden.
Abb. 2. Bei kohiirenter Releuchtung der Elekt,ronenvervielfacher V, und V , durch die Lichtquelle L sind Die gewonnenen
mittels eines Impulsgenerators nur die Einzelimpuls- konnen nun in derselben
zahler Zroh und Ztoh und der Koinzidenzzahler Kkoh Weise ausgewertet werden
empfindlich. Bei inkohiirenter Beleuchtung dureh wie die obigen, nur treten
die Lichtquellen L, und L, zahlen Zfnkohund 2Fkoh hier statt der zweiminutigen
die Einzelimpulse, Klnkoh die Koinzidenzen
MeBperioden sehr viele
MeBperioden von je einer
l / l O O sec auf. Die so gewonneneri MeBreihen sind praktisch unabhangig von
etwaigeri Empfindlichkeitsschwankungen der Vervielfacher. Die auf diese
Weise gewonnenen MeBreihen ergaben das folgende Ergebnis :
-
,
tk =
2,362 f 0,026psec
z = 2,398
5
0,027 psec,
daher
E =
- 0,0029 f 0,0030.
Alle unsere MeBreihen zusammengenommen zeigen, daR die Zahl der
Photonen, die an Koinzidenzen teilnehmen, sicher 0,6% nicht iibersteigen.
Die MeRreihen selbst zeigcn natiirlich keinen Hinweis darauf, da13 systematische Koinzidenzen iiberhaupt vorkommen .
Wir haben also mit den obigen Messungen gezeigt, daB in Einklang mit den
Voraussagen der Quantentheorie die in zwei koharenten Lichtstrahlen auf-
A . Adcim, L. Jbnossy u. P. Varqa: Beobachtungen mit dem Elsktronenvervielfacher
413
tretenden Photonen voneinander unab'hangig sind oder zumindest, da13 der
allergroRte Teil dieser Photonen unabhangig ist.
Siehe die detaillierte Beschreibung der experimentellen Anordnung sowie
die detaillierte Diskussion der MeRergebnisse in Acta Physica Hungarica 4, 4
(1955) (russisch).
B u d a p e s t , Zentralforschungsinstitut fur Physik, Kosmische Strahlenabteilung.
Bei der Redaktion eingegangen a m 15. Mai 1954.
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