Experimente zur Atomphysik und Kernphysik, Gamma-Spektren, Praxis

g-Spektroskopie (Praxisteil)

Geräte und Aufbau

Cs-137, Na-22, Co-60, Ra-226,
Pechblende
1 Szintillationszähler
1 Detektor-Ausgangsstufe
1 Hochspannungsnetzgerät
1 CAP-Interface oder VKA-Cassy
Verbindungs- und Übergangskabel
Stativmaterial und Muffen
Computer-System zur Auswertung

Für unsere Physik-Praktika wurden die Geräte von Leybold-Didactic verwendet. Selbstverständlich ist jedes andere vielkanalfähige Auswertungssystem ebenso geeignet.

Ziel
1. Aufnahme des VKA-Energiespektrums von Cs-137
2. Eichung der Energieskala
3. Interpretation des Spektrums (Quantenprozesse im Zählerkristall)

Erweiterung
1. Aufnahme und Interpretation weiterer VKA-Energiespektren (Na-22, Co-60, Ra-226)
2. Analyse von Lebensmitteln (z.B. poln. Pilzpulver von 1986)

Durchführung
1. Die drei Anschlußkabel der Detektor-Ausgangsstufe werden mit dem CAP-Interface und der Hochspannungsversorgung verbunden. (BNC-Stecker an die Vorderseite des CAP-Interfaces (VKA-Buchse) ; 5-poligen Stecker auf der Rückseite des CAP-Interfaces anschließen; das Koax-Kabel mit Schraubverschluß wird mit der Hochspannungsversorgung 1,5 kV verbunden.
2. Geräte (CAP, Hochspannungsversorgung, Computer) einschalten und das Programm VKA starten. Alternativ ist der Betrieb mit CAP-3 Interface oder VKA-CASSY möglich.
3. Nehmen Sie das Cs-Spektrum auf (Hochspannung so wählen, daß die Gesamtabsorptionslinie möglichst weit rechts im Spektrum liegt. ).
4. Eichen Sie das Spektrum einerseits mit dem Photopeak von Cs (662 keV), andererseits mit der K-Linie von Blei (77 keV). Diese Resonanzlinie von Blei erreicht man, indem man zwischen Cs-Präparat und Zähler eine Bleiblende (Bleiblech mit einer Bohrung von ca. 3 mm Durchmesser) stellt.

Anregungen zur Arbeit
1. Informieren Sie sich grundsätzlich über die Funktionsweise eines NaJ(Tl)-Szintillationszählers.
2. Welche unterschiedlichen Quantenprozesse finden im Zählerkristall statt ?
3. Erläutern Sie das Zustandekommen der charakteristischen Abschnitte im Energiespektrum (Photopeak, Compton-Kante, Compton-Kontinuum, Rückstreupeak).
4. Vergleichen Sie den gemessenen Energieinhalt der Compton-Kante mit dem berechneten Wert.

Die Verwendung programmunterstützter Energieeichung führt bei manchen Programmversionen zu unbefriedigenden Ergebnissen - vor allem im niederenergetischen Bereich. Besser erscheint es, das Spektrum durch eine Eichgerade "von Hand" zu eichen. Dabei sind zwei Eichpunkte notwendig:
Ein Energiewert ist durch die Gesamtabsorptionslinie von Cs-137 bei 662 keV gegeben.
Den zweiten Eichwert erhält man, indem man zwischen S.-Zähler und Präparat eine Bleiblende von
ca.3 mm Durchmesser stellt. Durch die K-Anregung von Pb (siehe auch Versuch "Moseley-Gesetz") erhält
man eine zusätzliche Linie, welche lt. Theorie etwa bei 77 KeV liegen sollte.

Zusätzliche Gesichtspunkte
(1. Untersuchen Sie den Einfluß der Hochspannung auf das Energiespektum (Lage des Photo-Peaks).)
2. Analysieren Sie auf dieselbe Weise die -Strahlung von Na-22, Co-60 und führen Sie analoge Betrachtungen durch.
3. Nehmen Sie eine Energie-Eichung mit Cs-137 vor und versuchen Sie herauszufinden, mit welchen Substanzen das polnische Pilzpulver kontaminiert ist. Gegebenenfalls ist die Bleiabschirmung bei niedrigen Zählraten zu verwenden.
Die Wahl der Hochspannung am Szintillatorsystem hat entscheidenden Einfluß auf die maximal darstellbaren
Energiewerte. So sind für unsere Zwecke Spannungen von U= 600 V für die Registrierung
hochenergetischer Quanten W_g=1333 keV (Co-60), bis U= 1000 V zur Betrachtung der
K-Anregungslinien der verschiedenen Substanzen (z.B. W = 16 keV für die Röntgen K-Energie von
Zirkon) möglich.
4. Durch welche Prozesse kommt im Na-22 Spektrum der Peak in der Nähe des 500 keV-Bereichs zustande?

Beispielspektren:

Cs-137 stellt das Standard-Spektrum dar. Durch nur einen ausgeprägten Photopeak bei 662 keV sind Compton-Kante, Compton-Kontinuum, sowie Rückstreu-Peak gut zu identifizieren.
Co-60 hat zwei Photopeaks, deshalb überlagern sich die daraus resultierenden Compton-Ereignisse zu einem überhöhten Compton-Kontinuum.

Aufgrund seiner geringen Halbwertszeit von 2,6 a ist Na-22 als Schulpräparat problematisch. Allerdings ist die Paarvernichtungsstrahlung wohl eine einzigartige Möglichkeit, die Einsteinsche Gleichung E = m c² meßtechnisch zu erfahren.

Radium hat ein sehr komplexes g -Spektrum. Jeoch ist eine korrekte Zuordnung der Peaks zu den "gamma-aktiven" Zerfallsprodukten von Ra-226 durchaus möglich.

Sehr interessant ist auch das Studium verwandter Spektren wie das von Radon und Uranerzproben.

Ähnlich wie beim Radium-Spektrum ist auch hier der "Fingerabdruck" einiger Zerfallsprodukte von Thorium zu sehen, soweit die Tochternuklide durch Abgabe von g -Quanten in den Grundzustand übergehen. Am-241 hat unter den dargestellten Spektren die geringste g -Energie von 59,5 keV ( aus a -Übergang zu Np-237). Das "Energiegebirge" im niederenergetischen Bereich ist kein Compton-Kontinuum. Die zu erwartende Compton-Kante wäre bei 11 keV (hier nicht darstellbar). Die Energien in diesem Bereich stammen aus L-Strahlung von Np, sowie von der K-Anregung von Jod (im Zähler).

Ein experimenteller Nachweis von E = m c²

Ein interessanter Aspekt ergibt sich bei der Analyse des Gamma-Spektrums von Na-22. Zunächst erhält man bei korrekter Einstellung der Hochspannung und Eichung der Energie-Achse zwei deutliche Peaks bei ca. 1275 keV und 511 keV.

Zieht man zur Orientierung das Zerfallsschema von Na-22 zu Rate, so stellt man fest, daß Na-22 unter Aussendung eines Positrons (b +) zu Ne-22 zerfällt. Dieses Neon-Isotop ist zunächst hochangeregt und gibt seine Energie in Form eines Gamma-Quants mit der Energie von 1275 keV ab. Ein weiterer Übergang ist nicht dokumentiert.

Es ist also zu klären, weshalb im Bereich von 511 keV ein derart ausgeprägter Peak auftritt.

Die Lösung liegt in darin begründet, daß Na-22 ein b + Strahler ist. Die Positronen reagieren sofort mit Elektronen unter Aussendung von Vernichtungsstrahlung.

Dieser experimentelle Befund ist ein schönes Beispiel, um die Einsteinsche Masse-Energie-Äquivalenz zu zeigen:

m_e+c² + m_e-c² = 2 E_g

Wegen des Impulserhaltungssatzes bilden sich beim Vernichtungsprozeß zwei Gamma-Quanten der Energie Eg = 511 keV, welche in entgegengesetzte Richtungen wegfliegen. Eins dieser Quanten wird vom Szintillationszähler registriert.

Analyse von kontaminiertem Steinpilz-Pulver

Das untere Spektrum zeigt die Analyse von Steinpilzpulver, welches im Jahr nach dem Tschernobyl-Reaktor-Unfall in einem polnischen Lebensmittelladen gekauft wurde. Selbst ohne Subtraktion des Nulleffektes und mit einer relativ geringen Meßdauer von etwa 5 Minuten erkennt man die erhebliche Kontamination mit Cs137, welche durch das Vergleichsspektrum mit einem Cs-Schulpräparat (oberes Spektrum) bestätigt wird.

Auch ein Stück Pechblende (Uranerz), wie es in äteren Physik-Sammlungen zu finden ist, kann analysiert werden. Deutlich sind einige Zerallsaktivitäten von Radium und seinen Tochternukliden zu erkennen.


Cs-137 stellt das Standard-Spektrum dar. Durch nur einen ausgeprägten Photopeak bei 662 keV sind Compton-Kante, Compton-Kontinuum, sowie Rückstreu-Peak gut zu identifizieren.	Co-60 hat zwei Photopeaks, deshalb überlagern sich die daraus resultierenden Compton-Ereignisse zu einem überhöhten Compton-Kontinuum.

Aufgrund seiner geringen Halbwertszeit von 2,6 a ist Na-22 als Schulpräparat problematisch. Allerdings ist die Paarvernichtungsstrahlung wohl eine einzigartige Möglichkeit, die Einsteinsche Gleichung E = m c² meßtechnisch zu erfahren.	Radium hat ein sehr komplexes g -Spektrum. Jeoch ist eine korrekte Zuordnung der Peaks zu den "gamma-aktiven" Zerfallsprodukten von Ra-226 durchaus möglich. Sehr interessant ist auch das Studium verwandter Spektren wie das von Radon und Uranerzproben.

Ähnlich wie beim Radium-Spektrum ist auch hier der "Fingerabdruck" einiger Zerfallsprodukte von Thorium zu sehen, soweit die Tochternuklide durch Abgabe von g -Quanten in den Grundzustand übergehen.	Am-241 hat unter den dargestellten Spektren die geringste g -Energie von 59,5 keV ( aus a -Übergang zu Np-237). Das "Energiegebirge" im niederenergetischen Bereich ist kein Compton-Kontinuum. Die zu erwartende Compton-Kante wäre bei 11 keV (hier nicht darstellbar). Die Energien in diesem Bereich stammen aus L-Strahlung von Np, sowie von der K-Anregung von Jod (im Zähler).