Atom- und Kernphysik. Untersuchung des Energiespektrums einer Röntgenröhre in Abhängigkeit von Hochspannung und Emissionsstrom. LD Handblätter Physik

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1 Atom- und Kernphysik Röntgenphysik Physik der Atomhülle LD Handblätter Physik P Untersuchung des Energiespektrums einer Röntgenröhre in Abhängigkeit von Hochspannung und Emissionsstrom Versuchsziele Aufzeichnung der Energiespektren einer Röntgenröhre mit Mo-Anode durch Bragg-Reflexion der Röntgenstrahlung an einem NaCl-Einkristall in erster Beugungsordnung. Deutung der Energiespektren als Überlagerung aus dem Kontinuum der Bremsstrahlung und den Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung des Anodenmaterials. Untersuchung der Abhängigkeiten der Bremsstrahlung und der charakteristischen Strahlung von Hochspannung und Emissionsstrom Ste Grundlagen Röntgenstrahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen in Materie auf kurzem Weg abgebremst werden. Gemäß den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik wird beim Abbremsen elektromagnetische Strahlung erzeugt, die für Elektronenenergien unter 50 kev überwiegend senkrecht zur Beschleunigungsrichtung abgestrahlt wird, hier also senkrecht zur Richtung der auf die Anode treffenden Elektronen. Dieser Anteil der Röntgenstrahlung wird entsprechend seiner Entstehung als Bremsstrahlung bezeichnet. Die Bremsstrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum, das sich bis zu einer bestimmten maximalen Frequenz max oder einer minimalen Wellenlänge min erstreckt. Liegt die Energie der Elektronen oberhalb einer kritischen Größe, wird zusätzlich zur kontinuierlichen Bremsstrahlung die im Spektrum in Form von einzelnen Linien auftretende, charakteristische Röntgenstrahlung angeregt. Sie entsteht dadurch, daß energiereiche Elektronen tief in die Atomhüllen des An- Fig. 1 Vereinfachtes Termschema eines Atoms und Definition der K-, L-, und M-Serie der charakteristischen Röntgenstrahlung odenmaterials eindringen und dort durch Stöße Elektronen aus kernnahen Schalen herausschlagen. Die entstehenden Lücken werden unter Abgabe von Röntgenstrahlung durch Elektronen aus den äußeren Schalen der Atomhülle aufgefüllt. Die Röntgenstrahlung ist für das Anodenmaterial typisch und entspricht ungefähr dem optischen Linienspektrum eines Stoffes im gasoder dampfförmigen Zustand. Auch Festkörper emittieren im Röntgenbereich einzelne, scharf definierte Linien, deren Lage, anders als das in den äußeren Schalen der Atomhülle erzeugte sichtbare Licht, kaum von der chemischen Umgebung der emittierenden Atome oder vom Aggregatzustand des Stoffes abhängt. Fig. 1 verdeutlicht die dem Schalenmodell der Atomhülle angepaßte Nomenklatur für die Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung: Die Schalen sind durch eine bestimmte Bindungsenergie charakterisiert und werden von innen nach außen mit den Buchstaben K, L, M, N, usw. bezeichnet. Zwischen den Schalen sind Übergänge in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Quantenmechanik möglich, die je nach Richtung mit der Absorption oder Emission von Strahlung verbunden sind. Dabei tritt z.b. Strahlung aus Übergängen zur K-Schale als Serie benachbarter Linien auf, die mit K, K, K, usw. bezeichnet werden. Von K ausgehend nimmt die Energie der Übergänge zu und entsprechend die zugehörige Wellenlänge ab. Im Versuch wird das Energiespektrum einer Röntgenröhre mit Molybdän-Anode aufgezeichnet. Als Spektrometer dient ein Goniometer mit einem NaCl-Kristall und einem Geiger-Müller- Zählrohr in Braggscher Anordnung. Kristall und Zählrohr werden gegenüber dem einfallenden Röntgenstrahl in 2 -Kopplung geschwenkt (vgl. Fig. 2). 1

2 P LD Handblätter Physik Geräte 1 Röntgengerät / 11 1 Fensterzählrohr für -, β-, - und Röntgenstrahlen zusätzlich: 1 PC mit Windows 98 -Vista Gemäß dem Braggschen Reflexionsgesetz entspricht dem Streuwinkel in der ersten Beugungsordnung die Wellenlänge = 2 d sin d = 282,01 : Netzebenenabstand des NaCI Aus (I) kann man mit Hilfe der für elektromagnetische Strahlung gültigen Beziehungen = c : Frequenz, c: Lichtgeschwindigkeit und E = h E: Energie, h: Plancksches Wirkungsquantum (I). (II) (III) Fig. 2 Prinzipskizze zur Beugung von Röntgenstrahlen an einem Einkristall und zur 2 -Kopplung zwischen Zählrohrwinkel und Streuwinkel (Glanzwinkel) 1 Kollimator, 2 Einkristall, 3 Zählrohr die Energie der Röntgenstrahlung berechnet werden. Das Spektrometer liefert also je nach Darstellung das Wellenlängen-, das Frequenz- oder das Energiespektrum der Strahlung. Untersucht wird der Einfluß der Röhren-Hochspannung U und des Emissionsstroms I auf das Energiespektrum der Röntgenröhre. Die Hochspannung U liegt als Beschleunigungsspannung der Elektronen zwischen Kathode und Anode an (siehe Fig. 3). Der Emissionsstrom I, d.i. der zwischen Kathode und Anode fließende Strom, ist durch die Änderung der Heizspannung U K der Kathode regelbar. Sicherheitshinweise Das Röntgengerät erfüllt die Vorschriften über die Bauart einer Schulröntgeneinrichtung und eines Vollschutzgeräts und ist als Schulröntgengerät und Vollschutzgerät bauartzugelassen. Durch die werksseitig eingebauten Schutz- und Abschirmvorrichtungen ist die Dosisleistung außerhalb des Röntgengeräts auf unter 1 Sv/h reduziert, einen Wert, der in der Größenordnung der natürlichen Strahlenbelastung liegt. Vor der Inbetriebnahme das Röntgengerät auf Unversehrtheit überprüfen (siehe Gebrauchsanweisung) Fig. 3 Prinzipskizze zum Aufbau der Röntgenröhre Röntgengerät vor dem Zugriff Unbefugter schützen. Eine Überhitzung der Anode in der Röntgenröhre Mo ist zu vermeiden. Bei Einschalten des Röntgengeräts überprüfen, ob sich der Lüfter im Röhrenraum dreht. Das Goniometer wird ausschließlich über elektrische Schrittmotoren verstellt. Targetarm und Sensorarm des Goniometers nicht blockieren und nicht mit Gewalt verstellen. 2

3 LD Handblätter Physik P Vorbereitung der Meßwerterfassung mit PC: Ausgang USB mit PC verbinden Programm Röntgengerät unter Windows 98-Vista ggf. installieren (siehe Gebrauchsanweisung zum Röntgengerät) und gewünschte Sprache wählen. Fig. 4 Versuchsaufbau zur Untersuchung des Energiespektrums einer Röntgenröhre Aufbau Aufbau der Braggschen Anordnung: Einige wichtige Details zum Versuchsaufbau sind in Fig. 4 dargestellt. Im einzelnen sind folgende Schritte erforderlich (siehe auch Gebrauchsanweisung zum Röntgengerät): Kollimator in die Kollimatoraufnahme (a) einbauen (Führungsnut beachten). Goniometer so an den Führungsstangen (d) befestigen, daß der Abstand s 1 zwischen der Spaltblende des Kollimators und dem Targetarm ca. 5 cm beträgt. Flachbandkabel (c) für die Goniometersteuerung aufstecken. Schutzkappe des Fensterzählrohrs entfernen, Fensterzählrohr in die Sensoraufnahme (e) einsetzen und Zählrohrkabel an die Buchse GM Tube anschließen. Durch Verschieben des Sensorhalters (b) den Abstand s 2 zwischen dem Targetarm und der Spaltblende der Sensoraufnahme auf ca. 6 cm einstellen. Targethalter mit Targettisch (f) einbauen. Rändelschraube (g) lösen, NaCl-Kristall flach auf den Targettisch legen, Targettisch mit Kristall vorsichtig bis zum Anschlag anheben und Rändelschraube gefühlvoll anziehen (dabei mögliches Verkanten durch leichtes Anpressen vermeiden). Ggf. die meßtechnische Nullposition des Goniometers justieren (siehe Gebrauchsanweisung zum Röntgengerät). Hinweise: NaCl-Kristalle sind hygroskopisch und zerbrechlich: Kristall möglichst trocken lagern, mechanische Belastungen auf den Kristall möglichst vermeiden, nur die Stirnseiten des Kristalls anfassen. Falls die Zählrate zu gering ist, kann der Abstand s 2 zwischen Target und Sensor etwas verkleinert werden. Der Abstand sollte allerdings nicht zu klein sein, da sonst die Winkelauflösung des Goniometers nicht mehr zur Trennung der charakteristischen Linien K und K ausreicht. Durchführung a) Variation der Röhren-Hochspannung Programm Röntgengerät aufrufen, korrekten Anschluß des Röntgengeräts überprüfen und ggf. vorhandene Meßdaten mit dem Button oder der Taste F4 löschen. Emissionsstrom I = 1,00 ma, Meßzeit pro Winkelschritt t = 10 s und Winkelschrittweite β = 0,1 einstellen. Taster Coupled für die 2 -Kopplung von Target und Sensor betätigen und den unteren Grenzwert des Targetwinkels auf 2,5, den oberen Grenzwert auf 12,5 stellen. Röhren-Hochspannung U = 15 kv wählen und mit dem Taster SCAN Messung und Datenübertragung zum PC starten. Zusätzliche Meßreihen mit den Röhren-Hochspannungen U = 20 kv, 25 kv, 30 kv und 35 kv aufnehmen. Zur Darstellung in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit dem Button oder der Taste F5 Dialogfenster öffnen und Gitterabstand des NaCl eintragen. Mit dem Button oder der Taste F2 alle Meßreihen zusammen unter einem passenden Namen speichern. Meßdaten mit dem Button oder der Taste F4 löschen und Röhren-Hochspannung U = 35 kv einstellen. Emissionsstrom I = 0,40 ma wählen und mit dem Taster Scan Messung und Datenübertragung zum PC starten. Zusätzliche Meßreihen mit den Emissionsströmen I = 0,60 ma, 0,80 ma und 1,00 ma aufnehmen. Zur Darstellung in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit dem Button oder der Taste F5 Dialogfenster öffnen und Gitter-abstand des NaCl eintragen. Mit dem Button oder der Taste F2 alle Meßreihen zusammen unter einem passenden Namen speichern. 3

4 P LD Handblätter Physik Meßbeispiel a) Variation der Röhren-Hochspannung: Fig. 5 Spektren der Röntgenröhre Mo für die Röhren- Hochspannungen U = 15 kv (unten), 20 kv, 25 kv, 30 kv, 35 kv (oben); Emissionsstrom I = 1 ma Fig. 6 Spektren der Röntgenröhre Mo für die Emissionsströme I = 0,4 ma (unten), 0,6 ma, 0,8 ma, 1,0 ma (oben); Röhren- Hochspannung U = 35 kv 4

5 LD Handblätter Physik P Auswertung a) Variation der Röhren-Hochspannung: Gespeicherte Meßreihe laden. Jeweils durch Klicken mit der rechten Maustaste in das Diagramm das Auswertemenü des Programms Röntgengerät aufrufen, den Menüpunkt Peakschwerpunkt berechnen wählen und mit der linken Maustaste einen Peak über seine gesamte Breite markieren. Die Schwerpunkte in einer Meßtabelle notieren (siehe Tab. 1) und Mittelwerte berechnen. Tab. 1: Unter Variation der Röhren-Hochspannung U aus den Spektren bestimmte Wellenlängen der charakteristischen Strahlung des Molybdän U kv Mittelwerte: = 71,06, = 63,12 Literaturwerte [1] zum Vergleich: = 71,080, = 63, ,04 62, ,09 63, ,04 63,10 Gespeicherte Meßreihe laden. Jeweils durch Klicken mit der rechten Maustaste in das Diagramm das Auswertemenü des Programms Röntgengerät aufrufen, den Menüpunkt Peakschwerpunkt berechnen wählen und mit der linken Maustaste einen Peak über seine gesamte Breite markieren. Die Schwerpunkte in einer Meßtabelle notieren (siehe Tab. 2) und Mittelwerte berechnen. Zusätzlich den Menüpunkt Koordinaten anzeigen wählen, die Maxima R(K ) und R(K ) der charakteristischen Linien und das Maximum des Bremsstrahlungskontinuums R C bestimmen und notieren (siehe Tab. 3) und grafisch darstellen (siehe Fig. 7). Fig. 7 Zählratenmaxima in Abhängigkeit vom Emissionsstrom Kreise: K -Linie Quadrate: K -Linie Dreiecke: Bremsstrahlungskontinuum Linien: Ursprungsgeraden Tab. 2: Unter Variation des Emissionsstroms I aus den Spektren bestimmte Wellenlängen der charakteristischen Strahlung des Molybdän I ma Mittelwerte: = 71,07, = 63,14 Ergebnis a) Variation der Röhren-Hochspannung In Fig. 5 ist deutlich zu erkennen, daß sich das Kontinuum der Bremsstrahlung mit steigender Röhren-Hochspannung U verändert: Die Strahlungsintensität nimmt zu, da die Elektronen mit zunehmender Energie beim Abbremsen im Anodenmaterial mehr Röntgenquanten erzeugen. Die Grenzwellenlänge min verschiebt sich dabei zu kleineren Werten, d.h. es wird energiereichere, härtere Strahlung erzeugt. Zur quantitativen Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Grenzwellenlänge und Röhren-Hochspannung siehe Versuch P ! Zur Anregung der charakteristischen Strahlung ist eine Mindestenergie der Elektronen erforderlich. Die Linien K und K sind daher erst oberhalb von U = 20 kv zu erkennen. Ihre Intensität nimmt mit steigender Röhren-Hochspannung zu. Auf die Lage der charakteristischen Linien hat die Röhren-Hochspannung dagegen keinen Einfluß (siehe Tab. 1). 0,4 71,09 63,15 0,6 71,05 63,15 0,8 71,08 63,15 1,0 71,04 63,10 Tab. 3: Zählratenmaxima der charakteristischen Linien und des Bremsstrahlungskontinuums in Abhängigkeit vom Emissionsstroms I I ma R (K ) R (K ) s 1 s 1 R C s 1 0, , , , Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, hat der Emissionsstrom I keinen Einfluß auf die Form des Röntgenspektrums. Die Lage der charakteristischen Linien bleibt unverändert (siehe Tab. 2). Allerdings nimmt die Intensität des Bremsspektrums und der charakteristischen Linien proportional zum Emissionsstrom zu (siehe Tab. 3 und Fig. 7). Abweichungen von der Proportionalität bei Zählraten über 1000 s 1 sind auf Totzeiteffekte bei der Zählratenerfassung zurückzuführen Literatur [1] C. M. Lederer and V. S. Shirley, Table of Isotopes, 7th Edition, 1978, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA. LD DIDACTIC GMBH Leyboldstrasse 1 D Hürth Phone (02233) Telefax (02233) by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved

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