Laborversuch 1: Gammastrahlungsdetektion mit Szintillatoren

Zweck:

1. Demonstration der Verwendung eines NaI-Szintillatordetektors und seiner Reaktion auf Gammastrahlung.
2. Die drei dominanten Gammastrahlungs-Wechselwirkungen mit Materie sollen dargestellt werden.
3. Demonstration der Energiekalibrierung.

Erforderliches Equipment:

Theoretische Übersicht:

Wie wird Gammastrahlung erzeugt: Radioaktive Kerne zerfallen durch Emission von Beta- oder Alphateilchen. Häufig zerfällt der Kern in einen angeregten Zustand des Tochterkerns, der in der Regel durch Emission von Gammastrahlung die überschüssige Energie abgibt. Das Kernschem des Energieniveaus und damit das Gammaenergiespektrum ist für jeden Kern individuell und kann zur Identifizierung des Kerns verwendet werden. Die Energieniveaus und der Zerfallsprozess von ²²Na, ⁶⁰Co und ¹³⁷Cs sind in Abbildung 1-1 dargestellt. Unter dem Begriff Beta-Zerfall sind β- (Elektron), β+ (Positron)-Emission vom Kern oder Elektroneneinfang durch den Kern zusammengefasst.

Abbildung 1-1: Energieniveau-Sequenzen für ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co und ²²Na (Energieniveaus in MeV)

NaI(Tl)-Detektoren

Der mit Thallium dotierte Natriumjodid-Detektor oder NaI(Tl)-Detektor reagiert auf die Gammastrahlung mit einem kleinen Lichtblitz oder einer Szintillation. Die Szintillation erfolgt, wenn Elektronen, die durch die Energie des Photons angeregt wurden, in ihren Grundzustand zurückkehren. Der Detektorkristall ist auf einer Fotoelektronenvervielfacher-Röhre montiert, die die Szintillation in einen elektrischen Impuls umwandelt. Der erste Impuls der Photokathode ist sehr klein und wird in 10 Stufen durch eine Reihe von Dynoden verstärkt, um einen verstärkten Impuls zu erhalten. Dieser wird von der Anode des Photoelektronenvervielfachers abgenommen und hat eine negative Polarität.

Der NaI(Tl)-Kristall ist durch eine Umhüllung aus Aluminium vor der Feuchtigkeit in der Luft geschützt, die zugleich als praktische Halterung für die gesamte Einheit aus Kristall und Photoelektronenvervielfacher dient. Abbildung 1-2 zeigt eine schematische Darstellung.

Abbildung 1-2: Darstellung eines Szintillationsereignisses in einer Potoelektronenvervielfacher-Röhre

Gammastrahlungs-Wechselwirkungen mit Materie

Es gibt drei dominante Gammastrahlungs-Wechselwirkungen mit Materie:

1. Photoelektrischer Effekt
2. Compton-Effekt
3. Paarproduktion

Der Photoelektrische Effekt ist eine häufige Wechselwirkung zwischen einer niederenergetischen Gammastrahlung und einem Material. Dabei wechselworkt das Photon mit einem Elektron im Material und verliert seine gesamte Energie. Das Elektron wird mit einer Energie emittiert, die gleich der anfänglichen Photonenenergie abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons ist. Dies ist ein nützlicher Prozess für die Spektroskopie, da ein Ausgangsimpuls in einem Detektor erzeugt wird, der proportional zur Gammaenergie ist, da die gesamte Energie der Gammastrahlung auf den Detektor übertragen wird. Hiermit wird ein charakteristischer Full Energy Peak im Spektrum erzeugt, der zur Identifizierung radioaktiven Materials verwendet werden kann.

Das Photon kann durch ein freies Elektron streuen und eine vom Streuwinkel abhängige Energiemenge übertragen. Dieser Prozess wird als Compton-Streuung bezeichnet. Die Energie des gestreuten Photons E' beträgt:

wobei E die einfallende Gammaenergie und θ der Streuwinkel ist. Der Begriff m₀c² ist die Ruhemasse des Elektrons, gleich 511 keV. Die an das Elektron abgegebene Energie beträgt:

Die maximale Energie, die bei der Compton-Streuung an ein Elektron abgegeben wird, tritt für einen Streuwinkel von 180° auf und die Energieverteilung ist bis zu diesem Punkt kontinuierlich (da alle Streuwinkel bis 180° möglich sind). Diese Energie, die als Compton-Kante bezeichnet wird, kann aus der einfallenden Gammastrahlungsenergie berechnet werden.

Für θ = 180°:

und:

Das Spektrum für ¹³⁷Cs zeigt, dass die deponierte Energie geringer ist als der Full Energy Peak (siehe Abbildung 1-3), wenn die Gammastrahlung aus dem Kristall streut und entweicht.

Die tatsächlich deponierte Energie hängt vom Streuwinkel ab, wie in den obigen Gleichungen beschrieben. Das Spektrum zeigt, dass viele Impulse Energien in einem Bereich unterhalb der Compton-Kante haben – dem sogenannten Compton-Kontinuum.

Wenn die Gammastrahlung nicht aus dem Kristall entweicht und erneut streut und durch den photoelektrischen Effekt ihre verbleibende Energie abgibt, wird die volle Energie des primären Photons im Full Energy Peak deponiert (bei 662 keV für ¹³⁷Cs). Dies ist bei größeren Kristallen wahrscheinlicher.

Die Paarproduktion kann auftreten, wenn die Gammaenergie größer als 1,022 MeV ist und ein signifikanter Prozess bei Energien über 2,5 MeV. Der Prozess erzeugt ein Positronen- und Elektronenpaar, das durch Streuwechselwirkungen im Material verlangsamt wird. Wenn das Positron zum Stillstand kommt, zerstrahlt es mit einem Elektron und erzeugt ein Paar von 511 keV-Gammastrahlen, die in entgegengesetzte Richtungen abgestrahlt werden . Diese können durch den fotoelektrischen Effekt absorbiert werden, um Full Energy Peaks bei 511 keV zu erzeugen. Eine Komponente aufgrund der Compton-Streuung kann ebenfalls beobachtet werden. Wenn ein Photon mit dem Kristall durch Paarproduktion interagiert, können eines oder beide der Annihilationsphotonen unentdeckt aus dem Kristall entweichen. Wenn eines der Photonen unentdeckt entweicht, führt dies zu einem Peak im Spektrum mit einer Energie, die um 511 keV geringer ist als der Full Energy Peak. Dies wird als einzelner Escape-Peak bezeichnet. Wenn beide Photonen unentdeckt entweichen, erscheint ein Peak 1022 keV unterhalb des Full Energy Peaks, der sogenannte Double Escape-Peak.

Abbildung 1-3: Beispielspektrum für eine ¹³⁷Cs-Quelle

Anleitung für Experiment 1:

Fotoelektrischer Effekt und Compton-Streuung

1. Stellen Sie sicher, dass der Osprey (mit angeschlossenem NaI(Tl)-Detektor) direkt oder über Ihr lokales Netzwerk mit dem Mess-PC verbunden ist.

2. Richten Sie die ¹³⁷Cs-Quelle vor dem Detektor ein.

3. Öffnen Sie die Gammaspektroskopiesoftware ProSpect und stellen Sie eine Verbindung zum Osprey her.

4. Passen Sie die MCA-Einstellungen gemäß den in Tabelle 1-1 aufgeführten Werten an. Es wird empfohlen, diese Einstellungen überall in diesem Handbuch zu verwenden, sofern nicht anders angegeben.

5. Wenden Sie anhand der Software die empfohlene Detektorvorspannung auf den NaI(Tl)-Detektor an.

6. Stellen Sie den Verstärkungszuwachs so ein, dass der Foto-Peak in der Nähe von 40 % des Spektrums liegt.

7. Erfassen Sie ein Spektrum (verwenden Sie eine Zählzeit, bei der mindestens 10.000 Zählungen im Foto-Peak vorhanden sind).

8. Verwenden Sie Anmerkungen (mit dem Rechtsklickmenü), um den Fotopeak, das Compton-Kontinuum und die Compton-Kante zu identifizieren.

9. Kopieren Sie das Spektrum in die Zwischenablage und fügen Sie es in ein Word-Dokument ein (geben Sie eine entsprechende Beschriftung für das Spektrum ein).

10. Speichern Sie das Spektrum.

Tabelle 1-1: Standardverstärkungs- und Filtereinstellungen für NaI 2x2 mit Osprey oder Lynx II

Paarproduktion

11. Löschen Sie das Spektrum.

12. Ersetzen Sie die ¹³⁷Cs-Quelle durch eine ⁸⁸Y-Quelle.

13. Erfassen Sie ein Spektrum (verwenden Sie eine Zählzeit, bei der mindestens 10.000 Zählungen in jedem Foto-Peak vorhanden sind).

14. Verwenden Sie Anmerkungen (mit dem Rechtsklickmenü), um die Full Energy Peaks von 898 keV und 1836 keV zu identifizieren. Identifizieren Sie auch den einzelnen Escape-Peak ab 1836 keV, der eine Energie von 1836 bis 511 = 1325 keV haben sollte.

15. Kopieren Sie das Spektrum in die Zwischenablage und fügen Sie es in ein Word-Dokument ein (geben Sie eine entsprechende Beschriftung für das Spektrum ein).

16. Speichern Sie das Spektrum.

Energiekalibrierung

17. Laden Sie die ¹³⁷Cs- und ⁸⁸Y-Spektren.

18. Bestimmen Sie durch Klicken mit der linken Maustaste und Ziehen eines Interessenbereichs über jeden Peak den Schwerpunktkanal für den Full Energy Peak mit 662 keV, 836 keV und 1836 keV. Notieren Sie sich den Schwerpunktkanal und die Unsicherheit für jeden Peak, wie vom Tooltip in ProSpect dargestellt.

19. Geben Sie in Microsoft Excel oder einer anderen Tabellen- oder Grafikanwendung die Energie, den Kanal und die Unsicherheit im Kanal ein. Stellen Sie Energie gegnüber dem Kanal dar, wobei Kanalunsicherheiten als Fehlerbalken angezeigt werden.

20. Berechnen Sie mit der Tabelle die Energiekalibrierungskoeffizienten. Geben Sie diese über den Tab Kalibrierung für den Detektor in ProSpect ein.

21. Erfassen Sie ein ⁶⁰Co-Spektrum und identifizieren Sie die Energien der beiden Full Energy Peaks.