Versuch P2-82: Absorption von Beta- und Gammastrahlung

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1 Versuch P2-82: Absorption von Beta- und Gammastrahlung Sommersemester 2005 Gruppe Mi-25: Bastian Feigl Oliver Burghard Inhalt Vorbereitung 1 Einleitung und Grundlagen Einleitung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Nachweis von Gamma-Strahlung Geiger-Müller-Zählrohr Geiger-Müller-Zählrohr und Beta-Absorption Bestimmung der Zählrohrcharakteristik bei kleiner Zählrate Oszillographische Bestimmung der Totzeit Totzeitbestimmung aus Zählergebnissen Absorptionskurve von Aluminium der Beta-Strahlung von Sr-90/Y Aktivität der Co-60-Quelle Zeitintervall-Verteilung Gamma-Absorption Absorptionskurve von Blei der Gamma-Strahlung von Co-60, Massenabsorptionskoeffizient Absorptionsvermögen verschiedener Absorbermaterialien gleicher Dicke für Co

2 1 Einleitung und Grundlagen 1.1 Einleitung In diesem Versuch befassen wir uns mit der Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohres und der Absorption von Beta- und Gammastrahlung in verschiedenen Materialien. 1.2 Beta-Strahlung Beta-Strahlung besteht aus hochenergetischen Elektronen, die beim Zerfall von instabilen Atomkernen entstehen. Dabei zerfallen Neutronen in Protonen und Elektronen. Zusammen mit einem Elektronen-Neutrino verlässt das Elektron den Kern. Dabei bleibt die Massenzahl des Kerns erhalten, die Ordnungszahl nimmt zu. Das Energiespektrum der Beta-Strahlung ist kontinuierlich bis zu einem Maximum, da sich die freiwerdende Energie beliebig auf Elektron und Neutrino verteilen kann. 1.3 Gamma-Strahlung Gamma-Strahlung sind hochenergetische Photonen, die entstehen, wenn ein Atom von einem angeregten Zustand in einen niederen Zustand fällt. 1.4 Nachweis von Gamma-Strahlung Die Photonen der Gamma-Strahlung können über Wechselwirkungen mit Materie nachgewiesen werden: Photoeffekt: Das Photon trifft auf ein Elektron und überträgt seine ganze Energie auf das Elektron. Dabei wird es selbst vernichtet. Dabei wird ein Teil der Energie zum Auslösen des Elektrons benötigt, der Rest geht in kinetische Energie. Comptoneffekt: Das Photon trifft auf ein freies Elektron, gibt aber nur einen Teil seiner Energie ab ( inelastischer Stoß ). Dabei wird das Photon gestreut. Die Elektronen können dann aufgrund ihrer kinetischen Energie nachgewiesen werden. 1.5 Geiger-Müller-Zählrohr Ein solches Zählrohr dient zur Detektion von verschiedenen Strahlungsarten. Es ist schematisch folgendermaßen aufgebaut: - 2 -

3 Im eigentlichen Zählrohr ist ein Gasgemisch niederen Druckes eingefüllt. In der Mitte ist ein dünner Draht. Zwischen diesem und der Mantelfläche wird eine Spannung angelegt. Fällt nun z.b. durch das Fenster ein Beta-Teilchen ein, so kann es das Gas ionisieren. Durch die angelegte Spannung wandern die Ionen zum Draht bzw. zum Mantel, ionisieren evtl. noch weitere Gasmoleküle und erzeugen am Ausgang einen Impuls. Dieser kann dann nachgewiesen werden. Die Zählrate ist abhängig von der Betriebsspannung. Diese Abhängikkeit heißt Zählrohrcharakteristik. Sie ist in 6 Bereiche untergliedert:: I. In diesem Bereich geringer Spannung erreichen nur ein Teil der Ionen den Draht bzw. Mantel, da viele Ionen durch Rekombination verloren gehen. II. Bei höherer Spannung nimmt die Rekombinationswahrscheinlichkeit stark ab. Praktisch alle Ionen erreichen den Draht. In diesem Teil ist die Zählrate unabhängig von der Betriebsspannung III.Bei noch größerer Spannung können die Ionen ihrerseits wiederum andere Moleküle ionisieren. Dadurch wird der Strom messbar groß. Die Stärke des Stromes ist abhängig von der Energie der Teilchen (Anfangsionisation). Dieser Bereich heißt Proportionalbereich. IV.Im Bereich der beschränkten Proportionalität verhindern Raumladungen die ungehinderte Stoßionisation V. Im Geiger-Bereich ist die durch Stoßionisation angesammelte Ladungsmenge unabhängig von der Primärionisation. Jede Primäronisation erzeugt einen gleich großen Impuls. Dies ist der eigentliche Arbeitsbereich des Zählrohres. Nach jedem Impuls ist das Zählrohr für eine kurze Zeit unempfindlich für weitere Impulse, da die bei der entstehenden Ionen aufgrund ihrer Masse eine Zeit lang im Raum verbleiben und den Draht abschirmen. VI.Bei noch höherer Spannung entsteht eine Dauerionisation

4 2 Geiger-Müller-Zählrohr und Beta-Absorption 2.1 Bestimmung der Zählrohrcharakteristik bei kleiner Zählrate Wir messen die Zählrate und die Impulshöhe in Abhängigkeit der Betriebsspannung bei einer maximalen Zählrate von 300/s, um den Einfluss der Totzeit auszuschalten. Die Zählrate stellen wir durch den Abstand Quelle-Zählrohr ein. 2.2 Oszillographische Bestimmung der Totzeit Um die Totzeit zu messen, triggern wir das Oszilloskop mit dem Impuls. Da während der Totzeit die Impulse deutlich kleiner sind, wird der Trigger hier nicht auslösen und wir können so die Totzeit ermitteln. 2.3 Totzeitbestimmung aus Zählergebnissen Wir bestimmen die Totzeit, indem wir die Zählrate N1 mit einem, N2 mit einem anderen und N12 mit beiden Präparaten gleichzeitig bestimmen. Dabei stellen wir die Abstände so ein, dass N12/T zunächst ca. 500/s und in einem zweiten Versuch 150/s beträgt. Dann können wir die Totzeit mit Hilfe folgender Formel bestimmen: = T 1 N 1 N 1N 2 N 12 N N 1 N 2 Wir verwenden als Quellen das Sr-90/Y-90-Beta-Präparat sowie das Co-60-Betapräparat. 2.4 Absorptionskurve von Aluminium der Beta-Strahlung von Sr-90/Y-90 Wenn Beta-Strahlung auf Materie trifft, so wechselwirkt sie mit ihr und verliert dadurch Energie. Die Absorptionskurve kann man nun bestimmen, indem man zwischen Quelle und Zählrohr (bei konstantem Abstand) Absorberplatten verschiedener Dicke einbringt und die Zählrate misst. Im Sr-90/Y-90-Präparat passieren zwei Zerfälle: Von Sr-90 zu Y-90 entstehen Elektronen mit einer maximalen Energie von 0,54 MeV, beim Zerfall Y-90 zu Zr-90 entstehen Elektronen einer Maximalenergie von 2,25 MeV. Die hochenergetische Strahlung kommt also vom Y-90-Zerfall, die niederenergetische vom Sr-90-Zerfall. Die Aktivität der beiden Zerfalle wird ungefähr gleich sein, da die Halbwertszeit des Sr-90 deutlich größer ist. Für die Einzelkomponenten erwarten wir einen exponentiellen Abfall in Abhängigkeit der Absorberdicke. Deshalb sollten wir bei kleinen Schichtdicken erheblich mehr Messpunkte nehmen. Bei logarithmischer Auftragung erwarten wir zwei getrennte lineare Bereiche. Der Knick kennzeichnet die Reichweite der Sr-90-Strahlung (energieärmer). Wir können also aus der Steigung des zweiten, flacheren Teils auf den Massenabsorptionskoeffizienten der Y-90- Strahlung von Aluminium schließen. Ziehen wir diese Steigung von der des ersten Teils ab, so erhalten wir den Massenabsorptionskoeffizienten von Aluminium für die Sr-90- Strahlung. Wir müssen beachten, dass die Abdeckung des Präparates, des Zählrohrfenster und des Luftweges nicht vernachlässigbar sind, sondern 12 µm Aluminiumdicke entsprechen. Um die Hintergrundstrahlung zu berücksichtigen, nehmen wir auch noch die Zählrate ohne Präparat auf

5 Um die auch noch die Totzeit einzubeziehen, korrigieren wir die gemessene Zählrate gemäß folgender Formel: N Korr = N 1 N N 0 N 0 : Hintergrundstrahlung Der Energie-Reichweite-Zusammenhang ist wie folgt: E Grenz =1,92 R 2 2 0,22 R g R[cm]: Reichweite, [ cm ]: Dichte des Absorbers, E Grenz[MeV ]: Grenzenergie Aktivität der Co-60-Quelle Um die Aktivität (Zerfälle pro Zeit) der Co-60-Quelle zu bestimmen, messen wir die Zählrate N in einem Zeitintervall T. Jedoch erfasst das Zählrohr ja nicht alle Zerfälle, weshalb wir Korrekturterme einführen müssen: Aufgrund der Lochblende messen wir nur innerhalb eines bestimmten Raumwinkels: = d 4 a 21 Dabei ist a der Abstand von der Quelle, d der Durchmesser der Blendenöffnung. Der geometrische Korrekturfaktor ergibt sich dann zu: c G = 4 Die Totzeit und Hintergrundstrahlung erfordern ebenfalls eine Korrektur. Korrektur für die Absorption in Material und Luft c m : Äquivalent zu einer 12µm- Aluminium-Platte. Damit ergibt sich: N A=c G c m T N N Zeitintervall-Verteilung Nun sollen die Zeitintervall-Verteilungen für n=1, 2, 4 Impulsen bestimmt werden. Wir erwarten folgende Verteilungen: n=1: I 1 t=r e r t n=2: I 2 t =t r 2 e r t n=4: I 4 t= t 3 6 r 4 e r t mit r= N ges T ges Als Quelle dient hier die Untergrundstrahlung. Die experimentellen und theoretischen Werte sollen verglichen werden

6 3 Gamma-Absorption 3.1 Absorptionskurve von Blei der Gamma-Strahlung von Co- 60, Massenabsorptionskoeffizient Hier soll analog zu 2.4 die Absorptionskurve von Blei für Gammastrahlung des Co-60 ermittelt werden. Somit messen wir wiederum die Zählrate in Abhängigkeit der Dicke der Bleischicht zwischen Präparat und Zählrohr. Ebenso muss die Zählrohrtotzeit sowie die Hintergrundstrahlung berücksichtigt werden. Da wir auch wieder einen exponentiellen Abfall erwarten, tragen wir die Zählrate logarithmisch über der Bleidicke auf. Aus der Steigung ermitteln wir den Massenabsorptionskoeffizienten. Auch die Halbwertsdicke von Blei (Zählrate auf Hälfte des ursprünglichen Wertes) können wir aus dem Diagramm ermitteln. 3.2 Absorptionsvermögen verschiedener Absorbermaterialien gleicher Dicke für Co-60 Nun messen wir das Absorptionsvermögen verschiedener Materialien, indem wir Materialproben gleicher Dicke zwischen Präparat und Zählrohr bringen. Den materialabhängigen Absorptionskoeffizienten erhalten wir mit: A M = N 0 N M N 0 wobei N 0 die Zählrate ohne Material, N M die Zählrate mit Material im Strahl ist. Die Messzeit muss hier natürlich gleich sein. Wir vergleichen den Absorptionskoeffizienten mit der Materialdichte. Dabei erwarten wir, dass Materialien höherer Dichte auch mehr Strahlung filtern, da hierbei ja die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass ein Gammaquant mit der Materie wechselwirkt