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Koinzidenzmethode: Signale zeitlich zuordnen
Bei der Koinzidenzmethode werden Detektorsignale zeitlich zugeordnet, wenn sie innerhalb eines festgelegten kurzen Zeitfensters registriert werden. So kannst du korrelierte Ereignisse auswählen, störende Signale teilweise aussortieren und auch das Ausbleiben erwarteter Mehrfachsignale untersuchen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was misst die Koinzidenzmethode?
Ein Detektor wandelt ein registriertes Teilchen oder Photon in ein elektrisches Signal um. Bei der Koinzidenzmethode werden mindestens zwei solcher Signalkanäle zeitlich miteinander verglichen.
Koinzidenz
Eine Koinzidenz liegt vor, wenn die ausgewählten Detektoren innerhalb desselben festgelegten Zeitfensters ansprechen. Die Signale müssen dafür nicht am selben Ort entstehen.
Das Zeitfenster entscheidet, welche Signale als gleichzeitig gelten. Es muss zu den Laufzeiten und zur Zeitauflösung von Detektoren und Elektronik passen.
Koinzident bedeutet nicht „zu exakt demselben Zeitpunkt“, sondern „innerhalb des vereinbarten kurzen Zeitfensters“.
Wie kündigt ein Trigger ein Photon an?
Eine Quelle kann zwei zeitlich korrelierte Photonen erzeugen: Ihre Emissionszeiten hängen zusammen. Eines dient als Boten- oder Triggerphoton, das andere als Messphoton.
Der Ablauf ist:
- Der Triggerdetektor registriert das Botenphoton.
- Sein Signal öffnet ein kurzes Zeitfenster Δt.
- Während dieses Fensters werden die Messdetektoren ausgewertet.
- Ein passendes Signal wird als möglicher Nachweis des Partnerphotons gezählt; zufällige Treffer bleiben möglich.
- Ein Messsignal außerhalb des Fensters wird für dieses Ereignis verworfen.
Bei einem Kaskadenprozess im Calciumatom entstehen nacheinander zwei korrelierte Photonen mit den Wellenlängen 551 nm und 423 nm. Registriert Detektor A das zuerst emittierte Photon, liefert sein Signal den Trigger für die Suche nach dem Partnerphoton bei B. Nicht jedes Partnerphoton erreicht B oder wird dort nachgewiesen. Erst ein passendes Signal von B im geöffneten Zeitfenster wird als Koinzidenz gewertet.
Die Laufzeiten von Licht und elektrischen Signalen müssen berücksichtigt und nötigenfalls durch Verzögerungen ausgeglichen werden. Ein zu enges Fenster verliert echte Partnersignale; ein unnötig breites lässt mehr Zufallstreffer zu.
Welche Signalmuster musst du unterscheiden?
Echte Koinzidenzen entstehen durch Signale, die zu demselben physikalischen Prozess gehören. Beim Compton-Effekt können beispielsweise ein gestreutes Photon und das zugehörige Rückstoßelektron zeitlich korreliert registriert werden.
Eine Zufallskoinzidenz entsteht, wenn unabhängige Signale zufällig in dasselbe Zeitfenster fallen. Ein gemeinsames Zeitfenster allein beweist daher noch keinen gemeinsamen Ursprung.
Antikoinzidenz
Bei einer Antikoinzidenzbedingung wird ein Signal nur akzeptiert, wenn ein anderer festgelegter Kanal im Zeitfenster nicht anspricht. Ein solcher Ausschlusskanal heißt auch Veto.
In Einzelphotonenversuchen beschreibt Antikoinzidenz ein beobachtetes Muster: Ein einzelnes Photon wird hinter einem Strahlteiler höchstens an einem der beiden Ausgänge nachgewiesen. Es kann wegen Verlusten auch ganz unentdeckt bleiben. Über viele Trigger hinweg sind Einzelnachweise vorhanden, während gemeinsame Ausgangssignale gegenüber einer geeigneten Vergleichserwartung unterdrückt sind.
Formulierungen wie „perfekte Antikoinzidenz“ beschreiben ein ideales Ergebnis. In realen Messungen müssen unter anderem Restkoinzidenzen, unkontrollierte Signale, Detektoreffizienzen und Messunsicherheiten betrachtet werden. Eine einzelne fehlende Doppeldetektion genügt nicht als belastbarer Nachweis.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Ein öffnet das Zeitfenster. Zwei zusammengehörige Signale im Fenster bilden eine . Unabhängige Signale können eine erzeugen. Das unterdrückte gemeinsame Ansprechen zweier Ausgangsdetektoren heißt .
Was lässt sich damit untersuchen?
Photon und Rückstoßelektron verbinden
Bothe und Geiger berichteten 1925 über getrennte Detektoren für Rückstoßelektronen und gestreute Photonen beim Compton-Effekt. Die Koinzidenzen zeigten einen starken zeitlichen Zusammenhang beider Nachweise. Wegen der unvollständigen Photonendetektion musste dabei nicht jedes Elektronensignal von einem Photonensignal begleitet werden.
Die Richtung kosmischer Teilchen auswählen
Durchläuft dasselbe Teilchen mehrere passend angeordnete Zählrohre, lösen diese kurz nacheinander aus. Nur Teilchen aus bestimmten Richtungen können alle Detektoren treffen. Die Geometrie des Aufbaus und die Koinzidenzbedingung wirken deshalb gemeinsam als Richtungsfilter.
Einzelphotonen untersuchen
Ein angekündigtes Messphoton kann auf einen Strahlteiler treffen. Entscheidend ist der Vergleich: Sind gemeinsame Ausgangsnachweise seltener, als aus den einzelnen Nachweiswahrscheinlichkeiten bei unabhängigen Signalen zu erwarten wäre? Bloß wenige Doppelnachweise reichen nicht, denn auch schwaches klassisches Licht kann nur selten beide Detektoren auslösen.
Ein Strahlteiler verteilt Licht auf zwei Wege. Werden diese in einem geeigneten Interferometer wieder zusammengeführt, kann Interferenz entstehen. Bei einem Versuch mit einem Schirm werden einzelne Photonen punktweise registriert. Erst viele akzeptierte Ereignisse ergeben eine räumliche Häufigkeitsverteilung mit Maxima und Minima. Die Koinzidenzmethode sorgt dabei dafür, dass nur zum Trigger passende Nachweise in die Verteilung eingehen.
Wie planst und beurteilst du eine Messung?
Eine aussagekräftige Untersuchung braucht eine klare Ereignisregel. Lege vor der Messung fest:
- Welcher Detektor liefert den Trigger?
- Welche weiteren Kanäle werden im Zeitfenster geprüft?
- Welche Signalkombination zählt als Koinzidenz?
- Welche Kombination soll bei Antikoinzidenz ausbleiben?
- Welche unkontrollierten Signale oder Detektorgrenzen können das Ergebnis beeinflussen?
Gedankenexperiment: Ein Trigger T kündigt ein Messphoton am Strahlteiler an. Für jedes Triggerfenster erfasst du vier Fälle: nur D1, nur D2, beide oder keiner. Der letzte Fall darf wegen möglicher Verluste nicht fehlen.
Zum Nachweis des Einzelphotonencharakters vergleichst du die gemeinsamen Nachweise mit der aus den Einzelnachweisen erwarteten Häufigkeit. Die Unterschreitung muss größer als die Messunsicherheit sein; Untergrund und Fehler der Detektoren oder Elektronik müssen berücksichtigt werden.
Fiktive Zeitmessung – zum Mitrechnen: Alle Laufzeitunterschiede sind bereits ausgeglichen. Ein Trigger liegt bei 12 ns. Akzeptiert werden Messsignale von 0 bis einschließlich 10 ns nach diesem Trigger. Zwei mögliche Messsignale liegen bei 20 ns und bei 25 ns. Welche werden zugeordnet? Eine Nanosekunde (ns) ist ein Milliardstel einer Sekunde.
Lösung: Ziehe jeweils die Triggerzeit ab: 20 ns − 12 ns = 8 ns liegt im Fenster. Dieses Signal zählt als Koinzidenz. 25 ns − 12 ns = 13 ns liegt außerhalb und wird diesem Trigger nicht zugeordnet. Ob der Treffer bei 20 ns wirklich denselben Ursprung hat, beweist die Zeitrechnung allein nicht.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Koinzidenzmethode
- Signale zeitlich zuordnen
- Trigger öffnet ein kurzes Zeitfenster
- Echte und zufällige Koinzidenzen unterscheiden
- Antikoinzidenz als unterdrückte Signalkombination erkennen
- Detektorgeometrie für Richtungsinformation nutzen
- Untergrund und Messgrenzen mitbeurteilen