Versuch Nr. 11 β- Szintillation

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1 Institut für Kernphysik, Universität zu Köln Master - Praktikum Versuch Nr. 11 β- Szintillation Datum: 15. September 2010

2 Inhalt 1 Einleitung Versuchsaufbau Messungen Auswertung Anhang Zerfallsschemata Kurie-Plot / Fermi-Plot Fermifunktion F(Z,E) for Z(end)=56 (aus Dschelepov) Electronenbindungsenergie in kev Literatur...8 Betriebsanweisung für den Umgang mit Hochspannung im Praktikum...9 Betriebsanweisung für mit Netzspannung betriebene Geräte im Praktikum...10 Betriebsanweisung Bleiziegel...11 Strahlenschutzanweisungen zum Umgang mit radioaktiven Quellen im Praktikum des Instituts für Kernphysik der Universität zu Köln...13

3 1 Einleitung Nuklide, die in einer entsprechenden Darstellung am,,hang" des Energietales liegen, machen einen Beta-Übergang in Richtung Talsohle. Es gibt drei Arten des Beta-Übergangs den Beta - Zerfall den Beta-plus - Zerfall den Elektroneneinfang. Bei dem Elektroneneinfang wird die gesamte Energie dem Neutrino übertragen. Bei den anderen Zerfallsarten wird die Energie auf das Elektron bzw. Positron und das Antineutrino bzw. Neutrino verteilt; die Verteilung erfolgt nach den Gesetzen der statistischen Mechanik und führt zu einem kontinuierlichen Spektrum. Angeregte Kerne können beim Übergang in den eigenen Grundzustand ihre Energie im wesentlichen auf zwei Arten abgeben: als Gamma-Quant als Konversionselektron. Diese beiden Prozesse sind konkurrierend, ihr gegenseitiges Intensitätsverhältnis wird durch den Konversionskoeffizienten α = N e /N γ beschrieben. Dabei ist N e die Intensität der Konversionselektronen und N γ die Intensität der Gamma-Quanten für den entsprechenden Übergang. Die Konversionselektronen haben nicht die gesamte Übergangsenergie E zur Verfügung. da auch die Bindungsenergie E B aufgebracht werden muß. Ihre Energie ist E e = E - E B 2 Versuchsaufbau In diesem Versuch messen Sie die breite Verteilung der Elektronen aus dem Beta - Zerfall und die Linien aus der inneren Konversion. Die Elektronen geben ihre kinetische Energie an den Szintillator (Anthrazen-Einkristall) ab, der eine der Energie proportionale Menge Licht abstrahlt. Der Nachweis der Elektronen im Szintillator ist ein statistischer Prozess. Der statistische Fehler äußert sich in der Halbwertsbreite der gemessenen Linien. Das Licht wird an der Photokathode in einen elektrischen Strom umgewandelt, der im Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) verstärkt wird. Der Strom liefert am Arbeitswiderstand einen Spannungsimpuls, dessen Größe der Energie des gestoppten Elektrons proportional ist. Nach Impulsformung und weiterer Verstärkung werden die Impulse in einem Analog-Digital (ADC)-Konverterkarte entsprechend ihrer Höhe in eine Zahl umgewandelt und dann im PC entsprechend ihrer Größe in verschiedene Kanäle eines Spektrums einsortiert. Der hier benutzte Szintillator hat für Gamma-Quanten nur ein beschränktes Ansprechvermögen (warum?), das aber leider doch nicht null ist. Indem Sie mit einem Absorber die Beta-Strahlung abschirmen, können Sie das Gamma-Untergrundspektrum aufnehmen und vom gemessenen

4 Spektrum abziehen. Überlegen Sie welches Material sich als Absorber eignet. Zwischen Kabelverstärker-Ausgang und ADC-Karte liegt kein Verstärker. Damit diese nicht Spannungsimpulse > 1 V erhält, ist die Hochspannung auf 950 V zu begrenzen. Benutzen Sie nicht die Verstärkungsregelung am Kabelverstärker. Der Anthrazenkristall ist mit einer dünnen, lichtdichten Folie abgedeckt, in der die Elektronen keinen großen Energieverlust erleiden. Sie ist leicht verletzbar. Drehen Sie deshalb beim Hantieren am Präparat den SEV mit Kristall zur Seite. Die Schwelle (Baseline) an der ADC-Karte (Trimmpotentiometer auf der Rückseite) darf keinesfalls auf null gestellt werden, weil diese dann durch Impulse aus dem Rauschen eine zu hohe Zählrate erhält und nicht richtig arbeitet. 3 Messungen Bevor Sie eine Messung beginnen erstellen Sie bitte am PC einen Unterordner mit dem Befehl: mkdir c: VERS11/DDMMYY Alle Ihre Daten sollten in diesem Ordner gespeichert werden.. Stellen Sie 207 Bi vor den Detektor. Wählen Sie den Abstand so, daß der Absorber gerade noch zwischen Detektor und Präparat paßt. Schieben Sie mittels der Feinverstärkung der ADC-Karte das Spektrum der obersten Linie nach rechts bis der Fußpunkt der rechten Flanke auf Kanal 256 liegt.(normalerweise sollte dies bereits eingestellt sein.) In den folgenden Messungen wird der Gamma-Untergrund dadurch abgezogen, dass man einen Absorber vor den Detektor stellt, das Datenaufnahmeprogramm auf abziehen einstellt und die gleiche Zeit misst, mit der das vorangehende Spektrum aufgenommen wurde. Eichung Messen Sie 10 min mit der 207 Bi Quelle und ziehen den Gamma-Untergrund ab. Messen Sie 5 min mit der 137 Cs Quelle und ziehen den Gamma-Untergrund ab. Beta-Spektrum Messen Sie 1 Stunde mit der 137 Cs-Quelle und ziehen Sie den Gamma-Untergrund ab. Eichung: Um Verstärkungsverschiebungen (durch Temperaturänderungen) zu korrigieren, eichen Sie bitte ein zweites Mal wie zu Anfang. Wenn es nur eine kleine Verschiebung gibt, nehmen Sie den Mittelwert. Ansonsten vergleichen Sie die Konversionslinie des 137 Cs mit der im Beta-Spektrum. Daraus können Sie ersehen, welche Eichung besser passt. Gamma-Spektrum Messen Sie mit der 137 Cs-Quelle und dem Absorber 15 Minuten und speichern das Spektrum. Großer Abstand Messen Sie mit der 137 Cs-Quelle im größten auf der optischen Bank möglichen Abstand 15 Minuten lang und ziehen Sie bitte den Gamma-Untergrund ab.

5 4 Auswertung Als Physiker sollten Sie wissen, dass jede Messung falsch ist. Eine Zahl hat nur dann eine Bedeutung, wenn Fehlergrenzen hinzugefügt sind. Daher sollten alle Zahlen, die Sie angeben mit Fehlergrenzen versehen sein. In vielen Fällen können diese mit dem Fehlerfortpflanzungsgesetz berechnet werden, in anderen Fällen dürfen Sie Abschätzungen angeben. Wie unterscheidet sich das gemessene Beta-Spektrum von der theoretisch erwarteten Verteilung unter Berücksichtigung der Halbwertsbreite? Mit Hilfe welches mathematischen Verfahrens könnte man die endliche Auflösung der Apparatur berücksichtigen und warum kann man hier auch ohne dieses brauchbare Ergebnisse erhalten? Kurie-Auftragung In der Literatur wird die Kurie-Auftragung auch Fermiplot genannt. Für die Kurie-Auftragung gibt es eine Impuls- und eine Energiedarstellung. Wie lauten die beiden Darstellungen und wie kann man sie ineinander umrechnen? Welche Darstellung ist hier zu wählen? 1. Berechnen Sie und zeichnen Sie die Kurie-Auftragung des 137 Cs Spektrums. Es sind mindestens 25 Punkte einzuzeichnen. Tragen Sie bei drei gut verteilten Punkten den nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz berechneten statistischen Fehler ein. Es sind 2 Übergänge vorhanden. Wie kann man beide Übergänge voneinander trennen? Bestimmen Sie die Übergangsenergien von beiden Übergängen. Diskutieren Sie die Fehlermöglichkeiten dieser Messung. 2. Extrapolieren Sie den Kurieplot des 1. Übergangs zu kleinen und großen Beta-Energien und ermitteln Sie durch Rückwärtsrechnung die Zählraten in den entsprechenden Energiebereichen. Zeichnen Sie mit diesen aus dem Kurieplot des 1. Übergangs durch Rückwärtsrechnung erhalten Zählraten einige Punkte des Energie- und Impulsspektrums. Wie unterscheiden sich beide (insbesondere bei Energie bzw. Impuls gleich null)? 3a. Der 7 -Übergang im 137 Ba ist teilweise konvertiert. Bestimmen Sie den Konversionskoeffizienten α. N γ läßt sich aus der Zählrate des niederenergetischen Beta-Zerfalls N β1 und der Zählrate der Konversionlinie N e bestimmen. 3b. Der rückgestreute Anteil der Konversionselektronen läßt nur einen Teil seiner Energie im Kristall und wird somit beim Beta-Spektrum N β1 mitgezählt. Durch Vergleich mit dem aus der Literatur bekannten Konversionskoeffizienten α = 11% ist zu berechnen, wie groß der Anteil der rückgestreuten Elektronen der Konversionslinie ist. 4. Bestimmen Sie das Auflösevermögen der Apparatur als Halbwertsbreite der Konversionslinie (absolut und relativ]. 5. Bestimmen Sie das Gesamtansprechvermögen des Szintillators für die Gamma-Strahlen des 137 Ba unter der Annahme, das Ansprechvermögen für Betastrahlung sei gleich eins.

6 6. Berechnen Sie die Lage der Comptonkante und vergleichen Sie sie mit der Energie in halber Höhe der gemessenen Comptonkante laut Ihrer Energieeichung. Diskutieren Sie anhand der Abweichung die unterschiedliche Wechselwirkung von geladenen Teilchen und Gamma-Strahlung mit Materie. 7. Berechnen Sie die Rückstoßenergie des Bariumkerns, wenn das Elektron mit der maximalen Energie des niederenergetischen Beta-Zerfalls emittiert wird. Der Impuls des Beta-Teilchens ist relativistisch zu berechnen. Warum soll die Maximalenergie des Kontinuums gewählt werden? 5 Anhang 5.1 Zerfallsschemata 5.2 Kurie-Plot / Fermi-Plot Fig. 1. Kurie-Plot / Fermi-Plot des 3 H- β- Zerfalls beim Endpunkt.

7 5.3 Fermifunktion F(Z,E) for Z(end)=56 (aus Dschelepov) E(keV) F(Z,E) E(keV) F(Z,E) E(keV) F(Z,E) 1 101, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Electronenbindungsenergie in kev Z Kern 1s1/2 2s1/2 2p1/2 2p3/2 3s1/2 3p1/2 3p3/2 3d3/2 3d5/2 K L1 L2 L3 M1 M2 M3 M4 M5 55 Cs 35,985 5,713 5,360 5,012 1,217 1,065 0,998 0,740 0, Ba 37,441 5,987 5,624 5,247 1,293 1,137 1,063 0,796 0, La 38,925 6,267 5,891 5,483 1,362 1,205 1,124 0,852 0, Tl 85,529 15,347 14,698 12,657 3,704 3,416 2,957 2,485 2, Pb 88,005 15,861 15,200 13,035 3,851 3,554 3,066 2,586 2, Bi 90,526 16,388 15,709 13,418 3,999 3,696 3,177 2,687 2,580

8 5.5 Literatur [1] Evans, Robley Dunglison: The Atomic Nucleus McGraw-Hill, 1955 [2] Daniel, H. & Schmitt, H.: Zeitschrift f ur Physik , 1962 [3] Marmier, Pierre & Sheldon, Eric: Physics of Nuclei and Particles Academic Press, 1970 [4] Mayer-Kuckuk, Theo: Kernphysik Teubner, 2002 [5] Siegbahn, Kai M.: Alpha-, Β- and Γ-Ray Spectroscopy Elsevier Science Ltd., 1965 [6] Yoshizawa, Y.: Nuclear Physics 5 122, 1958

9 Betriebsanweisung für den Umgang mit Hochspannung im Praktikum Gefahren für Mensch und Umwelt: Sofortiger Tod durch Herzkammerflimmern Schutzmaßnahmen: Darauf achten, dass Kabel und Stecker unbeschädigt sind und nur wie vorgesehen verwenden. Bei Beschädigungen oder den Verdacht auf Beschädigungen sofort den Praktikumsbetreuer informieren, keine Reparaturversuche unternehmen. Hochspannung erst nach Anschluss der Kabel einschalten und vor dem Trennen der Kabel wieder ausschalten. Verhalten im Gefahrenfall: Hochspannungsgerät ausschalten. Bei einem Brand elektrische Geräte soweit möglich ausschalten. Erste Hilfe: Ersthelfer sind Herr Endres, Görgen, Rolke, Rudolph, Thiel, Zell Bei Schock sofort einen Notarzt rufen Tel (von jedem Institutstelefon, mobil 112). Unfallkrankenhaus: evangelisches Krankenhaus Weyertal. Bei allen Unfällen muss auch der geschäftsführende Direktor informiert werden und ab einer Arbeitsunfähigkeit von 3 Tagen im Geschäftszimmer eine Unfallmeldung ausgefüllt werden. Der Erste Hilfe- Kasten befindet sich im innenliegenden Treppenhaus Zell

10 Betriebsanweisung für mit Netzspannung betriebene Geräte im Praktikum Gefahren für Mensch und Umwelt: Verbrennungen oder Tod durch große Ströme Schutzmaßnahmen: Darauf achten, dass Kabel und Stecker unbeschädigt sind und nur wie vorgesehen verwenden. Bei Beschädigungen oder den Verdacht auf Beschädigungen sofort den Praktikumsbetreuer informieren, keine Reparaturversuche unternehmen. Nicht mehrere Vielfachsteckdosen hintereinander schalten. Geräte mit großer Leistung nur an den Wandsteckdosen anschließen. Verhalten im Gefahrenfall: Den Netzstecker ziehen. Bei einem Brand elektrische Geräte soweit möglich ausschalten. Erste Hilfe: Ersthelfer sind Herr Endres, Görgen, Rolke, Rudolph, Thiel, Zell Bei Schock sofort einen Notarzt rufen Tel (von jedem Institutstelefon, mobil 112). Unfallkrankenhaus: evangelisches Krankenhaus Weyertal. Der Erste Hilfe- Kasten befindet sich im innenliegenden Treppenhaus. Bei allen Unfällen muss auch der geschäftsführende Direktor informiert werden und ab einer Arbeitsunfähigkeit von 3 Tagen im Geschäftszimmer eine Unfallmeldung ausgefüllt werden Zell

11 Betriebsanweisung Bleiziegel Universität zu Köln B e t r i e b s a n w e i s u n g Nr.: Stand: Unterschrift: gilt für: Institut für Kernphysik (Praktikum) G E F A H R S T O F F B E Z E I C H N U N G Bleiziegel Die Bleiziegel sind in Folie verpackt und können angefasst werden. Sie sind aber sehr schwer, stellen Sie sie nur so auf, dass sie Ihnen nicht auf die Füße fallen können! Bei Beschädigung der Folie beachten Sie bitte folgende Punkte: G E F A H R E N F Ü R M E N S C H U N D U M W E L T Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen oder das Kind im Mutterleib schädigen. (483) Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung. (497) Gefahr kumulativer Wirkungen. Kann das Kind im Mutterleib schädigen. Kann möglicherweise die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen. Verbrennungs-/ Zersetzungsprodukte: Metalloxidrauch Gefahren für die Umwelt: Sehr giftig für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen haben. Stark wassergefährdend (WGK 3) Gefahr S C H U T Z M A S S N A H M E N U N D V E R H A L T E N S R E G E L N Bleiziegel mit beschädigter Schutzfolie nicht anfassen. Beschädigungen und Verdacht auf Beschädigung sofort beim Betreuer melden Atemschutz: Bei einem Brand ist ein Atemschutz gegen giftigen Staub erforderlich Handschutz: Bei beschädigter Folie dürfen die Bleiziegel nur mit Handschuhen berührt werden. V E R H A L T E N I M G E F A H R F A L L Feuerwehr von jedem Institutstelefon, mobil 112 Gefahrenbereich räumen und absperren, Betreuer informieren. Bei der Beseitigung von Bleistaub immer Schutzbrille, Handschuhe sowie bei größeren Mengen Atemschutz tragen. Feuerlöschmaßnahmen auf die Umgebung abstimmen. Bei einem Brand entstehen gefährliche Dämpfe. Alarm-, Flucht- und Rettungspläne beachten. Feuerwehr alarmieren. Das Eindringen in Boden, Gewässer und Kanalisation muss verhindert werden. E R S T E H I L F E Notruf , mobil 112

12 Nach Augenkontakt: Sofort unter Schutz des unverletzten Auges ausgiebig (ca. 10 Minuten) bei geöffneten Lidern mit Wasser spülen. Bei Augenverletzungen steriler Schutzverband. Nach Augenkontakt immer augenärztliche Behandlung. Nach Hautkontakt: Verunreinigte Kleidung sofort ausziehen. Haut mit viel Wasser und Seife spülen. Nach Einatmen: Bei Atemstillstand künstliche Beatmung:. Nach Verschlucken: Sofortiges kräftiges Ausspülen des Mundes. Ersthelfer: Endres, Görgen, Rolke, Rudolph, Thiel, Zell S A C H G E R E C H T E E N T S O R G U N G Nicht in Ausguss oder Mülltonne schütten! Produktreste sind Sondermüll und werden getrennt gesammelt über Dr. Zell oder Bereich 02.2

13 Strahlenschutzanweisungen zum Umgang mit radioaktiven Quellen im Praktikum des Instituts für Kernphysik der Universität zu Köln Erstellt am Zugangsbeschränkungen Personen unter 18 Jahren dürfen nicht im Praktikum arbeiten. Schwangere dürfen nicht mit radioaktiven Quellen oder in Räumen, in denen sich radioaktive Quellen befinden, arbeiten. Nur die schriftlich mit Testatbögen erfassten Studierenden, die an der Strahlenschutzunterweisung teilgenommen haben. dürfen in den Praktikumsräumen unter Aufsicht der Betreuer mit radioaktiven Quellen Versuche durchführen. Besucher sind in den Praktikumsräumen, wenn sich dort radioaktive Quellen befinden, nicht zugelassen. 2. Umgang mit radioaktiven Quellen Die radioaktiven Quellen werden vor Beginn des Praktikums durch einen Strahlenschutzbeauftragen oder eine eingewiesene Person in die jeweils benutzten Apparaturen eingebaut oder in die zum jeweiligen Experimentaufbau gehörende Bleiabschirmung gelegt. Diese dokumentieren die Ausgabe in der im Lagerraum ausliegenden Liste nach Anhang B. Bei Transporten in andere Physikalische Institute der Universität zu Köln ist außerdem ein Begleitzettel nach Anhang A beizufügen. Nach dem Ende des Praktikums werden die radioaktiven Quellen durch den gleichen Personenkreis wieder ins Lager gebracht. Wenn sich radioaktive Quellen in einem Praktikumsraum befinden, muss dieser mit dem Schild Überwachungsbereich, Zutritt für Unbefugte verboten gekennzeichnet sein. Dieses Schild wird entfernt, wenn sich keine radioaktiven Quellen im Raum befinden. Eine Entfernung dieser radioaktiven Quellen aus dem Praktikumsbereich ohne Absprache mit dem Strahlenschutzbeauftragten ist unzulässig. Während des Praktikums dürfen sich die radioaktiven Quellen nur am vorgesehenen Messort oder in der bei jedem Versuch aufgebauten Bleiabschirmung befinden. Beim Verlassen der Räume ist darauf zu achten, dass Türen verschlossen und Fenster geschlossen sind, auch wenn es sich nur um eine kurze Zeit handelt. Alpha-Quellen, die fest eingebaut sind, bleiben ständig in der Apparatur und dürfen nicht von Studierenden ausgebaut werden. Beta-Quellen dürfen nur mit Schutzhandschuhen oder Pinzetten gehandhabt werden.

14 3. Verhalten im Gefahrenfall Beschädigungen der radioaktiven Quellen oder auch der Verdacht auf eine Beschädigung ist sofort dem Betreuer oder einem Strahlenschutzbeauftragten zu melden. Es darf mit einer solchen Quelle nicht weiter gearbeitet werden. Eventuell kontaminierte Bereiche müssen sofort abgesperrt werden. Bei Brand, Explosion oder anderen Katastrophen ist immer außer dem Institutsdirektor und dem Hausmeister ein Strahlenschutzbeauftragter hinzuzuziehen. 4. Strahlenschutzbeauftragte Strahlenschutzbeauftragte für radioaktive Stoffe im Institut für Kernphysik der Universität zu Köln sind Strahlenschutzbeauftragte Bereiche Zell Fransen Dewald Praktikum Experimentier-Hallen, Präparate: Arbeiten mit Quellen in anderen Räumen Arbeiten in auswärtigen Anlagen, Transport radioaktiver Stoffe Beschleuniger