Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie
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- Sophia Berg
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1 Wintersemester 2010/2011 Radioaktivität und Radiochemie Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie Udo Gerstmann
2 I 0 I I = I. 0 e-µ x
3 Schwächung von Strahlung
4 Energieverlust schwerer geladener Teilchen (Protonen, Alpha-Teilchen, schwerere Kerne)
5 Energieverlust schwerer geladener Teilchen (Protonen, Alpha-Teilchen, schwerere Kerne)
6 Zusammenhang Energie-Geschwindigkeit Quelle:
7 Beta-Strahlung
8
9 Energieverlust von Elektronen durch Bremsstahlung und Ionisation
10 Empirische Reichweiten von Teilchen Reichweite (m) 1 0,1 0,01 0,001 Elektronen in Luft Protonen in Luft Alpha-Teilchen in Luft Elektronen in Wasser Protonen in Wasser Alpha-Teilchen in Wasser 0,0001 0, , , ,01 0, Energie (MeV)
11 Ionisationsdichten
12 Elektromagnetische Strahlung Schwächung durch Wechselwirkung mit Hüllenelektronen (Photoeffekt, Compton-Steueung, Paarbildung) I = I 0. e -µx (µ = Schwächungskoeffizient) Schwächung abhängig vom Absorbermaterial (v. a. Z) und der Photonenenergie
13 Elektromagnetische Strahlung
14
15 Elektromagnetische Strahlung
16 Neutronen primär werden fast immer schnelle Neutronen erzeugt Abbremsung durch elastische und inelastische Stöße, am effektivsten durch Protonen, da gleiche Masse bei thermischen Neutronen Einfangreaktionen
17 Neutronen Reaktion Q-Wert (MeV) n + 6 Li + 3 H 4,782 n + 10 B + 7 Li 2,79 n + 3 He p + 3 H 7,63 n + p n + p 0
18 LAND (Large Area Neutron Detector) der GSI
19 Wechselwirkungen - Zusammenfassung Strahlung Wechselwirkungsort Reaktion s (barn) Name Protonen, schwere Ionen Elektronen (e -, ß -, ß + ) Photonen Neutronen Elektronenhülle Anregung, Ionisation 10 5 Atomare Anregung, Ionisation Atomkern Elektronenhülle elastische Streuung 10 Kernstreuung inelastische Streuung < 1 Coulomb-Anregung Einfang 0,1 Transmutation Anregung, Ionisation» 100 Atomare Anregung, Ionisation ß + -Vernichtung (100 %) Positronenvernichtung Coulomb-Feld Atomkern inelastische Streuung»1 Bremsstrahlung Elektronenhülle elastische Streuung 0,1 koherente Streuung Valenzelektronen inelastische Streuung Compton-Effekt Rumpfelektronen Vollabsorption 10 Photo-Effekt Coulomb-Feld Atomkern Vernichtung Paar-Bildung Atomkern Atomkern elastische Streuung inelastische Streuung Absorption 0,001 Mössbauer-Effekt Kern-Anregung Kern-Photo-Effekt inelastische Streuung 10 Neutronenmoderation Absorption 10 4 Neutroneneinfang
20 Anwendungen der Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie Strahlungsmessung Auslegung von Strahlenabschirmung medizinische/biologische/technische Anwendungen Strahlenchemie Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) Particle-induced X-Ray Emission (PIXE) Röntgenfluoreszenz-Analytik (XFS) Mößbauer-Spektrometrie
21 Bestrahlungsanlagen (hier: Gamma-Service Produktbestrahlung GmbH)
22 Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) 1. Cesium ion source 2. Duoplasmatron 3. Electrostatic lens 4. Sample 5. Electrostatic sector - ion energy analyser 6. Electromagnet - mass analyser 7. Electron multiplier / Faraday cup 8. Channel-plate / Fluorescent screen - ion image detector
23 Particle-induced X-Ray Emission (PIXE)
24 Mößbauer-Effekt
25 Mößbauer-Effekt
26 Mößbauer-Spektrometrie K 4 [Fe(CN) 6 ]. 3 H 2 O Metallisches Eisen
27 Beschleuniger 1. Herstellung geladener Teilchen 2. Beschleunigung 1919: Rutherford benutzte für die erste Kernumwandlung - Strahlung, Energie konstant und relativ niedrig 1932: Cockcroft, Walten: Erste Transmutation mit Hilfe von Hochspannungsbeschleuniger, werden heute noch für Beschleunigungsspannungen bis zu 4 MeV benutzt, v. a. als Injektoren
28
29 Van de Graaff-Beschleuniger
30 Tandem-Beschleuniger z. B. 16 O - 16 O MeV + 80 MeV
31 Zyklotron
32 CERN
33 Tevatron / Fermilab zur Kollision von Protonen und Antiprotonen - Schwerpunktsenergie 1,96 TeV - 4 Vorbeschleuniger: - Cockroft-Walton-Beschleuniger 750 kev - Linearbeschleuniger 400 MeV - Booster 8 GeV - Main Injector 120 GeV
34 Neutronenquellen Spontanspaltung von 252 Cf (2,3E6 Neutronen s -1 µg -1 ),n-reaktionen, z. B. 226 Ra/Be mit 1E7 n/s Spaltreaktoren Spallationsquellen
35 Kernreaktionen Erhaltungssätze Elektrische Ladung, Energie, Impuls, Spin u. a. Wirkungsquerschnitte Maß für die Trefferwahrscheinlichkeit zwischen Projektil und Target 1 barn = m 2
36 -Zerfall (Wiederholung) Zerfallsenergie in kev E-18 1E-15 1E-12 1E-9 1E-6 1E-3 1E+0 1E+3 1E+6 1E+9 1E+12 1E+15 1E+18 Halbwertszeit in Jahren
37 Coulomb-Barriere
38 Beispiel für Tunneleffekt bei Kernreaktionen Coulombbarriere: 1,3 MeV
39 Streuung am Coulomb-Potential
40 Anregung von Rotationszuständen in 248 Cm mit 208 Pb
41 Inelastische Streuung mit Kernanregung
42 Kernreaktionen
43
44 Compoundkern-Zerfälle
45 Ein Ergebnis - mehrere Wege
46 Kernphotoreaktionen 2 H(,n)p
47
48 Spallationsreaktionen
49 Spallation zur Beseitigung langlebiger Radionuklide?
50 Neutroneneinfangsquerschnitte von Spaltstoffen
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4) Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie (1) Ionisationswirkung unterschiedlicher Teilchen Energie der Teilchen in MeV
4) Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie (1) Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie sind Grundvoraussetzung für jede Anwendung oder schädigende Wirkung radioaktiver Strahlung unerwünschte
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