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γγγγ-SPEKTROSKOPIE

Vorbereitung:

Entstehung von α, β und γ-Strahlung, Wechselwirkung von γ-Strahlung mit Materie, Herleitung der Formel für die Energie der Elektronen nach der Compton- Streuung, Nachweis und Spektroskopie von γ-Strahlung und geladenen Teilchen, Arbeitsweise von Vielkanalanalysator, Einkanaldiskriminator und Oszilloskop, Dosimetrie und Strahlenschutz.

Literatur:

Marmier 1, dtv-Atlas zur Atomphysik

Grundlagen:

1. Wechselwirkung von γ-Strahlung mit Materie:

Bei der Wechselwirkung von γ-Strahlung mit Materie spielen im wesentlichen drei Effekte eine Rolle:

a. Photoeffekt b. Comptoneffekt c. Paarbildung

a. Energieabhängigkeit dieser Prozesse

Die Wahrscheinlichkeit für den Photoeffekt nimmt etwa proportional zu E-3 ab und nimmt bei kleinen γ-Energien sehr hohe Werte an. Beim Comptoneffekt fällt sie zu mittleren Energien hin ab, während die Paarerzeugung bei 1,02 MeV beginnt und mit wachsender γ-Energie wahrscheinlicher wird.

b. Abhängigkeit von der Kernladungszahl Z

Wichtig für die Wahl des Detektormaterials ist die Abhängigkeit der erwähnten Wechselwirkungen von der Kernladungszahl Z. Es gilt näherungsweise, für die Wahrscheinlichkeiten, bzw. Wirkungsquerschnitte:

Photoeffekt:

∝

∝

Paarbildung:

∝

2. Szintillationsspektrometer

Das Prinzip des Szintillationszählers beruht auf der physikalischen Erscheinung, daß manche durchsichtige Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase durch ionisierende Strahlung zur Emission von Lichtblitzen ( Szintillationen ) angeregt werden können.

Die Szintillationen werden mit Hilfe eines Photomultipliers auf elektronischem Weg gemessen. Der Photomultiplier besteht aus einer photoelektrischen Schicht und einem Sekundärelektronenvervielfacher ( SEV ).

Die nachzuweisende ionisierende Strahlung erzeugt durch Wechselwirkung mit dem Detektormaterial Lichtimpulse. Ein Teil des Lichts gelangt auf die Photokathode des anschließenden Photomultipliers und löst dort Elektronen heraus. Dieser Elektronenimpuls wird durch den SEV um mehrere Größenordnungen verstärkt und ruft am Arbeitswiderstand der Anode einen Spannungsimpuls hervor.

3. Blockschaltbild der Apparatur

U U

t Standardeinstellung am Verstärker

1. Eingangsimpedanz: 50Ω

2. Integration: 0.5µs

3. 1.Differentiation: 0.2µs 4. 2.Differentiation: 0.1µs

5. Verstärkung: 1/2.5

6. Verstärkung so einstellen, daß die Maximalamplitude kleiner als 8 Volt ist.

7. Schalter RC/SH auf SH

8. Schalter Norm/Invert auf Invert, da der ADC nur positive Eingangsimpulse verarbeiten kann

9. Hochspannung: 2200 Volt

100%

90 %

10 %

1 µµµµs t t minimale Impulsbreite 0,5 –5 µµµµs 0,1-10 µµµµs

Anstiegs - Abfallzeit Geeignete Impulsformen für den ADC

8 V

4 V

0 V

U Ampl.

Maximale Impulshöhe

Hauptverstärke

NaJ(Th )

Szintillator Photomultiplier u.

Vorverstärker

Vielkanal- analysator In aut

χχχχ ^{- Quelle}

versorgung Hochspannungs-

Impulsformen t

4. Arbeitsweise eines Vielkanalanlysators

In einem Vielkanalanlysator ( VKA ) wird ein analoges Signal digitalisiert und auf einem Sichtschirm dargestellt.

Blockschaltbild eines Vielkanalanalysators ( VKA )

Da die physikalische Information (z.B. Energie) in der maximalen Amplitude des analogen Impulses liegt, hält ein Stretcher diesen Maximalwert fest, z.B.

6,700Volt. Ein ADC mit einstellbarer Auflösung digitalisiert diesen Gleichspannungspegel.

Die Auflösung gibt an, in wieviele Teilintervalle (Kanäle) ein maximaler Gleichspannungswert (bei diesem Gerät 8 Volt) unterteilt wird. Bei einer Auflösung von 1024 Kanälen ist also jeder Kanal 8 Volt/1024 = 7,8 mV breit. Der Spannung 6,7 Volt entspricht bei diesem Beispiel der Kanal 857. Entsprechend der Kanalbreite umfaßt dieser Kanal die Spannungswerte von 6,695 V bis 6,703 V. Im Speicher, der die Kanäle 0 bis 1023 umfaßt, wird nun der Inhalt des Kanals 857 um eins erhöht. Damit ist dieses Ereignis verarbeitet.

Die gesamte Verarbeitungsdauer ist impulshöhenabhängig und beträgt im Mittel 15 µs; während dieser Totzeit werden ankommende Signale nicht angenommen.

Auf dem Bildschirm wird fortlaufend der Inhalt der Kanäle dargestellt. Man sieht das Spektrum online wachsen.

Signal- eingang

Vielkanalanalysator

Impulsdehner (Stretcher) Analog-Digital- Konverter (ADC) Seicher

Sichtgerät

Signalformen

analog digital

Aufgaben:

ACHTUNG: Man gehe mit dem Präparaten vorsichtig um, immer Pinzette benutzen !!

1. Man mache sich mit den Funktionen der verschiedenen Knöpfe des Vielkanalanalysators vertraut.

Einschaltreihenfolge:

1. Power-Supply; 2. Hochspannung; 3. VKA

2. Es ist ein Blockschaltbild der Apparatur zu zeichnen und die Impulsform a. am Verstärkereingang

b. am Verstärkerausgang

auf dem Oszilloskop sichtbar zu machen und im Blockschaltbild an den entsprechenden Stellen einzutragen.

Man vergewissere sich, daß die Impulse die für den VKA zur Verarbeitung notwendige Form besitzen (maximale Höhe +8 Volt; minimale Pulslänge 1 µs;

Pulsanstiegszeit zwischen 0,1 und 5 µs; Pulsabfallszeit 0,1 bis 10 µs).

Die Pulsformung kann mit Hilfe der Integrations- bzw. Differentiationsknöpfe am Verstärker ausgeführt werden. (Verwendung des ¹³⁷Cs-Präparates)

3. Man stelle die Verstärkung so ein, daß die 662 keV γ-Linie des ¹³⁷Cs- Präparates etwa in Kanal 470 des 512-Kanalbereich des Vielkanalanalysators zu liegen kommt und stelle den Lower-Level-Discriminator so ein, daß das starke Grundrauschen gerade verschwindet.

4. Für alle zu messenden Linien ist das Auflösungsvermögen ∆E/E zu bestimmen. In guter Näherung gilt: ∆E/E ~ 1/ E. Man trage deshalb ∆E/E gegen E und E auf.

5. Mit Hilfe der γ-Linien des 22Na (511 keV; 1275 keV), des ¹³⁷Cs (662 keV) und des ¹³³Ba (81 keV, 303 keV und 356 keV) führe man eine Energieeichung des 512-Kanalbereichs des VKA's durch.

Man trage dazu die γ-Energien gegen die Mittelwerte der Linien aus den VKA- Spektren auf.

Man drucke das ²²Na Spektrum aus und vergleiche die Linien mit dem Zerfallsspektrum von ²²Na. Woher kommt die 511 keV γ-Linie ?

6. Mit dem energiegeeichten Vielkanalanalysator nehme man das Spektrum eines ⁶⁰Co-Präparats auf und bestimme die Energien der γ-Linien. Man zeichne die gemessenen γ-Linien in das Energieniveauschema des beim Zerfall entstehenden ⁶⁰Ni ein.

7. Man berechne mit Hilfe der Formel für die Energie der Elektronen nach der Comptonstreuung die Comptonkante der 1,275 MeV γ-Linie des ²²Na- Präparats.

Man vergleiche mit dem gemessenen Energiespektrum.

8. Man messe die Intensität der 662 keV γ-Linie der ¹³⁷Cs-Quelle in Abhängigkeit vom Detektor-Quellen Abstand d und trage

1 I−I_u

gegen d auf. (I = γ-Intensität; Iu = Untergrund)

Welche Gesetzmäßigkeit gilt? Wie läßt sich das erklären? Man diskutiere den Kurvenverlauf und trage Fehlerbalken für die Meßpunkte ein.

9. Man messe die Absorption von 1 mm Blei in Abhängigkeit verschiedener γ-Energien und diskutiere den Kurvenverlauf. (Abstand Quelle-Detektor 10 cm) Auftragung: Io/I auf halblogarithmischem Papier (Io: γ-Intensität ohne Blei), Fehlerbalken einzeichnen.

10. Man messe die Absorption der 1,33 MeV γ-Linie des ⁶⁰Co Präparates in Abhängigkeit der durchgestrahlten Bleidicke. Auftragung: Io/I auf halblogarithmischem Papier (Io: γ-Intensität ohne Blei), Fehlerbalken einzeichnen.

Bemerkung:

Bei der Fehlerrechnung führe man jeweils den Fehler ∆R der Größe R durch Fehlerfortpflanzung auf die Fehler ∆I der Intensitäten zurück (∆I = I).

ββββ + EC

2.06

(3+) 4,0 s

9F ²²

ββββ¯

Qββββ -12 ( VauF65a )

(2+) 4,47 67% 5,9

4+ 3,34

0,3 ps 3+ 2.60y ββββ+

Na

33 % 6,4 3 ps 2+ 1,2746 ββββ++++ 90%

EC 10%

0+ ββββ++++ 0,05% 13

Ne

(MTW) IT 99 + %

O 18 + a resonances

0+ 3 x 10⁵ y

[ ]

Fe

5,26y 5+ 0

β

27Co⁶⁰ β 4+ 2.5057

99+% 7,5

0.013% 12,6

0,12% 13,0 2+ 2.158

0,009% 7,3 0,24% 7,2

0,7 ps 2+ 1,3325 Q_β - 2.819 calc

(MTW) 0+ 0 ₂₈Ni⁶⁰

7.4

M3

3.9 m

54

Xe

β

Q_β – 4.0 (MTW)

67% 7,2 0.455

33% 6,7

7/2+

30.0y

Cs

β 0.90

93,5% 9,5

11/2- 0.6616

2.55m

IT

Q_β – 1.176 (MTW)

1/2 + 0.281 6,5% 12.1

3/2+ 0

Ba

M4