Versuch 29 Ak-vierungsanalyse

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1 Versuch 29 Ak-vierungsanalyse Betreuer WS : Oleg Kalekin Raum: 314 Tel.: erlangen.de Standort: Raum 133 (Kontrollraum Tandembeschleuniger) Literatur: W.Bischof: Zulassungsarbeit, Erlangen 1982 (vorhanden beim Betreuer) W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Par-cle Physics Experiments , 2.6, 2.7, G. Musiol, R. Reif, D. Seeliger: Kern- und Elementarteilchenphysik, Kap. 4 und 5

2 Aktivierungsanalyse Eigenschaften : - Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung - Hochempfindliche, qualitative und quantitative Bestimmung einer Substanz (hier : Cu, V) - kernphysikalische Meßmethode Radioaktivität Strahlenschutzbelehrung zwingend Dosimeter, Strahlenschutzverordnung Prinzip : 1. Aktivierung der Probe Radionuklide 2. Messung des γ-emissionsspektrums 3. Versuche

3 Radioaktivität Definition : Spontan erfolgende Umwandlung instabiler Isotope gegebener chemischer Elemente in andere Isotope unter Emission bestimmter Teilchen. Reaktion des Atomkerns! Nomenklatur : A Z X N z.b Cu 36 Z : Kernladungs-/Protonenzahl A : Massen-/Nukleonenzahl N : Neutronenzahl Grundarten der Radioaktivität : - α-zerfall (Emission eines He-Kerns 4 2 He) - β-zerfall (e - oder e + - Emission) - Spontane Spaltung... - γ-zerfall Emission eines Photons durch einen angeregten Kern; Folge eines vorherigen α- oder β-zerfalls, einer Kernreaktion oder eines inelastischen Stoßes mit einem anderen Kern oder Teilchens charakteristische Spektrallinien Stichwort : Karlsruher Nuklidkarte

4 Aktivierung und Aktivität - Aktivierung : Vorgang der Kernanregung eines bestimmten Isotopes über u.u. mehrere Anregungskanäle / -prozesse - Aktivierungsrate : Zahl C der bei konstantem Neutronenfluß pro Probe und Zeit aktivierten Atome eines bestimmten Isotopes - Aktivität : Anzahl C(t) der pro Probe und Zeit zerfallenden Radionuklide - Zusammenhang : C(t) = λb(t), B(t) : Zahl der zum Zeitpunkt t noch vorhandenen Radionuklide λ : Zerfallskonstante Während der Bestrahlung gilt : db(t)/dt = C - λb(t) mit Ansatz : B(t) = C /λ (1- e -λt ) folgt : C(t) = C (1- e -λt ) Nach Ende der Bestrahlung t > t B : C = 0 B(t) = B(t B ) e -λ (t- t B )

5 Schritt 1 - Aktivierung : technische Realisierung Beschuß der Probe mit - γ - Strahlung - e - - Strahlen - geladene Teilchen (Protonen, Deuteronen) - Neutronen führt zu gewünschten Kernreaktionen Vorzugsweise thermische Neutronen, E kin = (10-100) mev - Nur Kernreaktion eines Typs : (n,γ)-compound - hohe Wirkungsquerschnitt gute Empfindlichkeit - große Eindringtiefe Analyse auch dickerer Proben - keine Coulombabstoßung Quelle im Versuch : 252 Cf - Spaltungsquelle mit Moderator

6 Schritt 1 - Aktivierung : Prinzipschema Schema einer mit thermischen Neutronen ausgelösten (n,γ)- Reaktion mit anschließendem β - - Zerfall des entstandenen Radionuklides

7 Schritt 1 - Aktivierung : Versuchsproben - T 1/2 Bestrahlungszeit (15 min), Meßzeit (10 min) - höhere Nachweisempfindlichkeit bei V: - Massenanteile A - Aktivierungsquerschnitt σ act - Zerfallsschemata

8 Schritt 1 - Aktivierung : Vanadium V p ~ 100%

9 Schritt 1 - Aktivierung : Kupfer Cu p = 9.25%

10 Schritt 2 - Messung des γ-emissionsspektrums : Versuchsaufbau P : Probe Ge(Li) : Germanium(Lithium dotiert)-hl-detektor, gekühlt mit LN 2 VV : Vorverstärker HV : Hauptverstärker LGS : Linear-Gate-Stretcher Vielkanalzähler, engl. Multi-Channel-Analyser (MCA) Pulse-Height-Analysis : Energiespektrum Multi-Channel-Scanning : Halbwertszeit

11 Schritt 2 - Messung des γ-emissionsspektrums : Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie 3 Prozesse : Photoeffekt Comptoneffekt Paarbildung Prozeß der Emission eines Elektron-Positron Paares infolge der Absorption eines γ-quants im Coulombfeld des Atomkerns (oder eines Elektrons). Voraussetzung : E γ 2 m e c kev 1. Hohe Eindringtiefe von γ-strahlung in Materie 2. Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes I(x) = I 0 e -µx mit I : Intensität µ : linearer Absorptionskoeffizient Hier gilt: µ = n σ = n (σ Ph + σ C + σ P ) mit σ : Absorptionsquerschnitt n : Atomdichte

12 Schritt 2 - Messung des γ-emissionsspektrums : Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie Photoeffekt Comptoneffekt Paarbildung

13 Schritt 2 - Messung des γ-emissionsspektrums : Absorptionsquerschnitt (E γ ) Photo Compton Paar Blei (Z=82)

14 Schritt 2 - Messung des γ-emissionsspektrums : Halbleiterdetektor Betrieb in Sperrichtung Kühlung verbreitert Raumladungszone, senkt Rauschen einfallende γ-strahlung führt zu Bildung von e - -h + -Paaren kurzzeitiger Stromfluß im äußeren Kreis I ~ E γ Energieauflösung Vorteile eines HL-Detektor im Vergleich zu Gasdetektoren: höhere Nachweiseffektivität da Festkörper (Dichte) Bessere Energieauflösung da Energieverlust pro Ladungsträgerpaar 10 kleiner Besseres Zeitverhalten/geringere Totzeit durch kürzere Sammelzeit der Ladungsträger

15 Schritt 3 - Auswertung a) Eichung des MCA (pulse height analysis mode) Mit einer Gammaeichquelle (bekannte Emissionsinien) b) Untergrunduntersuchungen am Ge-Detektor Kanal c) Spektroskopie: Nach dem Schema: Aktivierung (t B ) Transport zum Meßplatz (t T ) Messung der Aktivität über den Zeitraum t M werden die Spektren gemessen für: - Eine Normprobe Cu/V (bekannte Masse) - Proben mit unbekanntem Gehalt von Cu/V, Bestimmung des Cu/V-Gehaltes durch Vergleich der Höhen der charakteristischen Spektrallinien d) Bestimmung der Halbwertzeit von 52 V: Aktivierung und Transport wie oben, dann aber Datennahme im multi-channel-scanning mode (Zählrate als Funktion der Zeit)