Laborversuch 10: Positronenvernichtung

Zweck:

1. Untersuchen des Phänomens der Positronenvernichtung.
2. Zur Messung der beiden 511-keV-Photonen, die in echter Koinzidenz mit einem Winkelabstand von 180° emittiert werden.

Erforderliche Ausrüstung:

Theoretische Übersicht:

Positronen werden am häufigsten durch β+-Zerfall oder durch Paarbildung hergestellt. Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron und hat daher die gleiche Masse, jedoch entgegengesetzte Ladungs- und Quantenzahlen. Positronen aus dem β+-Zerfall oder aus der Paarbildung werden in dem Medium, in dem sie erzeugt wurden, so lange verlangsamt, bis ihre Energie so weit reduziert wurde, dass sich ein gebundener Zustand mit einem Elektron bilden kann. Dieser gebundene Zustand wird Positronium genannt und ist mit einer mittleren Lebensdauer von 125 Pikosekunden instabil: Das Positron und das Elektron werden vernichtet. Die Vernichtung muss Ladung, Energie, Impuls und alle anderen Quantenzahlen erhalten. Es lässt sich ein Referenzsystem so konstruieren, dass der Nettoimpuls Null ist, und in diesem System muss sich der Impuls der Photonen aus der Vernichtung auf null summieren. Dementsprechend müssen die Photonen aus der Zwei-Photonen-Vernichtung in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Zum Erhalt der Energie und des Impulses müssen die beiden Photonen die gleiche Energie haben, die Elektronenmasse bzw. 511 keV. Da das Elektron und das Positron nicht vollständig ruhen, kann es bei der Vernichtung zu einer leichten Veränderung der Energie und des Winkels zwischen den beiden Photonen kommen. Das lässt sich an der Zunahme der FWHM von 511 keV der Vernichtungsphotonen im Vergleich zu anderen Gammastrahlungspeaks ähnlicher Energien ablesen.

Anleitung Experiment 10:

Verwendung eines 2"x2"-NaI-Detektors

1. Konfigurieren Sie die beiden NaI-Detektoren (einer mit dem Osprey MCA und einer mit dem 2007P Preamp und dem Lynx II DSA). Verbinden Sie die beiden MCA-Geräte direkt oder über Ihr lokales Netzwerk mit dem Mess-PC.

2. Konfigurieren Sie die NaI-Detektorabschirmung um jeden Detektor. Entfernen Sie eine eventuell vorhandene Streusäule mithilfe des Streutisches. Positionieren Sie die beiden Detektoren auf dem Streutisch in einem Abstand von ~16 Zoll (400 mm). Stellen Sie sicher, dass die Symmetrieachse der beiden Detektoren aufeinander und auf die Position der Quelle ausgerichtet ist. (Abbildung 10-1).

3. Positionieren Sie die ²²Na-Quelle auf der Mittellinie mittig zwischen den beiden Detektoren. Der vom Kollimator eingeschlossene Winkel ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Wobei
d der Durchmesser der Kollimatorblende ist,
L der Abstand der Quelle vom Detektor.

Abbildung 10-1: Schaltplan der Anordnung für das Experiment zur Positronen-Vernichtung.

Energiekalibrierung

1. Öffnen Sie die Gammaspektroskopie-Software ProSpect und stellen Sie die Kommunikation mit den beiden MCA her.

2. Wählen Sie in der ProSpect-Software unter dem Detektor-Tab die Hochspannungseinstellungen aus, um die empfohlene Hochspannung an die beiden Detektoren anzulegen, die an die MCA-Geräte angeschlossen sind.

3. Stellen Sie unter dem MCA-Tab der ProSpect-Software den Wandlungsgewinn sowohl für die Osprey- als auch für die Lynx II-Geräte auf 2048 Kanäle ein.

4. Passen unter dem MCA-Tab der ProSpect-Software die Grob- und Feineinstellungen bei beiden Detektoren so an, dass der Fotopeak nahe an der Mitte des Spektrums liegt.

5. Klicken Sie auf Start (oben auf dem Spektraldisplay), um mit der Akkumulation eines Spektrums zu beginnen. Wählen Sie die Zählzeit so, dass mindestens 10.000 Zählungen im Fotopeak vorhanden sind.

6. Führen Sie für jeden Detektor eine Energiekalibrierung mit den Peaks 511.0 und 1274,5 keV von ²²Na durch und beziehen Sie sich bei Bedarf auf Experiment 1.

7. Speichern Sie das Spektrum. Sobald Sie die Verstärkung und die Energiekalibrierungskoeffizienten eingestellt haben, dürfen Sie diese nicht mehr ändern. Falls doch, passen Sie die Kalibrierung an.

Zeitkoinzidenzmessungen mit TLIST-Erfassungsmodus

1. Stellen Sie auf der Konfigurtionsseite der ProSpect-Software die Datenerfassung auf den TLIST-Modus ein. Der TLIST-Modus ermöglicht die Speicherung von Ereignissen, die Informationen über die Energie und Zeit eines jeden Ereignisses enthalten.

2. Um die Daten im TLIST-Modus zu erfassen, richten Sie beide Detektoren gemäß Tabelle 10-1 ein.

Tabelle 10-1: Einstellungen für synchronisierte Erfassung im TLIST-Modus mit Lynx II und Osprey DSA.

3. Sobald beide Geräte gemäß Tabelle 10-1 eingerichtet sind, schließen Sie den Sync-BNC-Anschluss an der Rückseite des Lynx II DSA (bei Bedarf ein 50-Ohm-Anschlussstück hinzufügen, um Reflexionen zu vermeiden) an den GPIO-Eingangskanal 1 des Osprey-Geräts an.

4. Wählen Sie Control-Start, um die Erfassung auf beiden Geräten gleichzeitig zu starten.

5. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren in den Wartemodus geschaltet werden (blauer Hintergrund auf den Miniaturansichten der Datenquelle). Schalten Sie nun schnell (vor Erreichen des Timeouts von 20 Sekunden) die externe Synchronisation des Lynx II DSA von Slave auf Master B um.

6. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren mit der Erfassung von Daten beginnen (PHA-Daten erscheinen auf dem Display und beide Hintergründe werden in der Miniaturansicht der Datenquelle grün dargestellt).

7. Erfassen Sie etwa 5 Minuten lang und speichern Sie dann die Daten.

8. Verwenden Sie den TLIST-Datenscanner von ProSpect zur Analyse der Daten des TLIST-Modus und zur Anzeige der Ergebnisse der Koinzidenzmessung. Befolgen Sie die nachstehenden Schritte, um den ProSpect Data Scanner auszuführen.

9. Identifizieren Sie unter dem Tab Suchverzeichnisse (Search Directories) das Verzeichnis mit den erfassten TLIST-Daten. Drücken Sie die Starttaste, um mit der Analyse zu beginnen.

10. Wählen Sie auf der Registerkarte Scanergebnisse (Scan Results) die entsprechenden Erfassungen aus und stellen Sie den Anfangszeitbereich auf -6.000 ns, den maximalen Zeitbereich auf 6.000 ns und das Zeitintervall auf 1.000 ein.

11. Wählen Sie unter dem Analyse-Tab (Analysis) über die Registerkarten Gerät (Device) und Acq-Start die beiden Erfassungen aus. Stellen Sie die Energie auf der x-Achse und die Zeit auf der y-Achse dar, um die koinzidenten Zählungen anzuzeigen. Kommentieren Sie die erstellte Grafik. Hinweis: Sie können die Grafik zur weiteren Analyse in Ihre Zwischenablage kopieren.

Winkelabhängigkeit von Koinzidenzzahlen

1. Platzieren Sie einen der NaI-Detektoren in die Winkelpositionen von 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° und -5°, -10°, -15°, -20°, -25°, -30° im Verhältnis zur Symmetrieachse des anderen NaI-Detektors. Wiederholen Sie unter jedem Winkel wie oben angegeben die Schritte 19 bis 28 und zeichnen Sie die Zeitkoinzidenzen für die Detektion der 511-keV-Gammastrahlung auf.

2. Bestimmen Sie die Streuung, unter der eine signifikante Anzahl koinzidierter Zählungen erkannt wird. Stellen Sie die beiden Koinzidenzzahlen für die 511-keV-Gammastrahlung als Funktion des Winkels zwischen den beiden Detektoren dar. Beachten Sie, dass die Koinzidenz beim 180°-Winkel zwischen den beiden Detektoren stark ansteigt, und dass sie schnell abfällt, wenn der Winkel zwischen den beiden Detektoren von 180° abweicht.

3. Verwenden Sie Gleichung 10-1, um den vom Kollimator eingeschlossenen Winkel zu bestimmen. Wie stellt sich dies im Vergleich mit der in Schritt 2 beobachteten Winkelstreuung dar?