G. Musiol, J. Ranft, D. Seeliger, Kern- und Elementarteilchenphysik, Kapitel 4 (speziell 4.3) und Kapitel 5 (speziell 5.1, 5.4 und 5.

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1 Gammaspektroskopie Einleitung Ziel des Versuches ist der Nachweis von γ-quanten, die durch natürliche radioaktive Prozesse erzeugt werden. Die Messdaten werden als Energieverteilung (Spektrum) dargestellt und analysiert. Die Form dieser Spektren hängt sowohl vom Messinstrument (Detektor) ab, als auch von der verwendeten Quelle der γ-strahlung. Als Messinstrumente dienen ein NaJ-Szintillationsdetektor und ein Ge-Halbleiterdetektor. Vorbereitung Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie, Absorptionsgesetz, natürliche γ-strahlung, Funktionsweise von Szintillations- und Halbleiterdetektoren (inkl. Nachweiselektronik), Aktivität radioaktiver Stoffe Literatur G. Musiol, J. Ranft, D. Seeliger, Kern- und Elementarteilchenphysik, Kapitel 4 (speziell 4.3) und Kapitel 5 (speziell 5.1, 5.4 und 5.5) C. Grupen, Teilchendetektoren, Kap 1.1, 1.2, 5.1, 5.2 und 7.1 P. Marmier, Kernphysik, Band I W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Kap 2.7, 7 und 10 H. Kiefer, W. Koelzer, Strahlen und Strahlenschutz Messaufbau Der Messaufbau ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Aufgrund der Wechselwirkung der γ-quanten mit dem Detektormaterial wird im Primärprozess Energie auf den Detektor übertragen. Das entsprechende Ausgangssignal am Detektor ist, sofern das Quant vollständig absorbiert wird, proportional zur Gesamtenergie des Photons. Die Signale werden verstärkt und anschließend mit Hilfe eines im Rechner integrierten Analog-Digital-Wandlers (ADC) graphisch dargestellt. Abbildung 1: Schema des Versuchsaufbaus - oben Szintillator, unten Halbleiter-Detektor NaJ szintillierender NaJ-Kristall Ge Germanium-Halbleiterdetektor PMT Photo Multiplier Tube Amp Amplifier (Verstärker) HV High Voltage (Hochspannung) Pre Amp Preamplifier (Vorverstärker) ADC Analog Digital Converter PC Personal Computer 1

2 Versuchsdurchführung 1. NaJ-Szintillationsdetektor 1.1. Zuerst wird das Detektorsignal am Oszilloskop vermessen. Dazu verbinden Sie den Ausgang des Detektors mit dem Oszilloskop und vermessen die Anstiegs- bzw. Abfallzeit sowie die Signalhöhe (Messung mit 137 Cs). Was versteht man in diesem Zusammenhang unter pile up? Verbinden Sie danach Ihren Detektor mit dem Hauptverstärker und machen sich mit Hilfe des Oszilloskops die Auswirkungen der shaping time und der Verstärkung auf das Signal klar Platzieren Sie die 60 Co-Probe vor dem Detektor und stellen Sie eine kurze shaping time ( µs) am Hauptverstärker und eine geeignete Verstärkung ein. Warum ist für den Szintillationsdetektor eine kurze shaping time empfehlenswert? 1.3. Zur Vermessung der relativen Energieauflösung des Detektors werden nacheinander verschiedene Präparate ( 60 Co, 22 Na und 137 Cs, Zerfallsschema siehe Abb. 2 und 3) vor dem Detektor platziert und die Energiespektren mit dem Rechner aufgezeichnet Zur Untersuchung des Abstandsgesetzes der Strahlungsintensität nehmen Sie fünf 137 Cs- Spektren bei unterschiedlichen Abständen von Quelle zu Detektor auf (Messdauer ca. 1 min je Spektrum). Achten Sie darauf, dass die Totzeit unter 10% bleibt! 1.5. Mit Hilfe eines Bleikollimators soll der Einfluss der Einschussbedingungen auf die Form der γ-spektren untersucht werden. Dazu sind zwei Spektren von 137 Cs aufzunehmen, wobei der Kollimator einmal nur auf den Zentralbereich, das andere mal auf den Randbereich des Detektors gerichtet ist Mit Hilfe der Beziehung I = I 0 e µx soll der Massenschwächungskoeffizient µ ϱ von Blei (ϱ = g cm ) für die γ-linien bei 662 kev, 1173 kev und 1332 kev bestimmt werden. Hierzu sind 3 nacheinander die Spektren von 137 Cs und 60 Co mit Hilfe des Bleikollimators frei und hinter unterschiedlich dicken Bleiabschirmungen aufzunehmen. Über die entsprechenden Linien ist jeweils zu integrieren. Achten Sie auf gleiche Abstände zwischen Quelle und Detektor Messen Sie wiederum mit Hilfe des Bleikollimators die Absorption in den verschiedenen Materialien (PVC, Cu, Al, Fe und Pb) mit dem Cäsium-Präparat. Nehmen Sie zudem eine Leermessung auf. 2. Ge-Halbleiterdetektor 2.1. Zum Vergleich der Eigenschaften der beiden Detektortypen wiederhole man die Aufgaben 1.1 bis 1.3 sowie 1.5 der Szintillationsmessungen mit dem Ge-Halbleiterdetektor. Vergessen Sie nicht die shaping time und Verstärkung anzupassen. Warum ist hier eine geeignete shaping time 2-3 µs? 2.2. Nehmen Sie für die spätere Auswertung der Photonen-Nachweiswahrscheinlichkeit zusätzlich ein 60 Co-Spektrum mit Bleikollimator auf die Mitte gerichtet auf. Hinweis: Für die Berechnung der absoluten Nachweiswahrscheinlichkeit müssen die Aktivität der Probe (Tab. 1) und der Winkelbereich des Einschusses direkt am Versuchsaufbau bestimmt werden! Beachten Sie dazu auch die Zerfallsschemata in Abb Zur Messung und Identifikation der natürlichen Strahlenbelastung werden alle Präparate zurück in den Tresor gelegt und dann das Untergrundspektrum aufgezeichnet. Die Messzeit sollte mindestens eine Nacht betragen. Anschließend wird die Position der unbekannten Linien vermessen. 2

3 Auswertung Die vollständige Auswertung beinhaltet alle durchgeführten Messaufgaben (siehe Versuchsdurchführung). Vergleichen Sie anhand Ihrer Messungen die Eigenschaften der beiden Detektortypen. Dazu sind folgende Aufgaben zu bearbeiten: 1. Analysieren Sie die Oszilloskop-Signale. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter pile up? 2. Beschreiben Sie den Einfluss von shaping time und Verstärkung auf die Spektren. Warum sind die in der Versuchsdurchführung gegebenen Werte für die shaping time am besten geeignet? 3. Nach der Kalibration des Energiespektrums vergleichen Sie die Spektren beider Detektoren hinsichtlich relativer Energieauflösung und Zeitauflösung. 4. Bestimmen Sie im 137 Cs-Spektrum die Lage der Compton-Kante und vergleichen Sie diese mit dem theoretischen Wert. 5. Ermitteln Sie die absolute Photonen-Nachweiswahrscheinlichkeit W ph = Anzahl der Ereignisse im Photopeak Anzahl der tatsächlich eingestrahlten γ -Quanten (1) für alle Peaks in den 60 Co-, 22 Na- und 137 Cs-Spektren ohne Bleikollimator sowie in den 60 Co- und 137 Cs-Spektren mit Bleikollimator. Beziehen Sie hierbei auch die Ausrichtung des Kollimators auf die Detektorfläche mit ein. Beschreiben Sie die Energieabhängigkeit der Photonen-Nachweiswahrscheinlichkeit. 6. Werten Sie die Abstandsabhängigkeit anhand Ihrer 137 Cs-Messungen aus. Schätzen Sie den Fehler ab. 7. Zur Bestimmung der Massenschwächungskoeffizienten trage man die Zählraten der untersuchten Linien in einfach logarithmischer Darstellung über der Dicke der Bleiabschirmung auf. Die ermittelten Koeffizienten sind als Funktion der Energie aufzutragen und mit den Erwartungen zu vergleichen. 8. Tragen Sie die Z-Abhängigkeit des Wirkungsquerschnittes der verschiedenen Materialen (PVC, Cu, Al, Fe und Pb) auf und vergleichen Sie den Verlauf mit der Erwartung aus der Theorie. 9. Welche radioaktiven Isotope erzeugen die γ-linien des Untergrundspektrums? Welchen Zerfallsreihen können diese zugeordnet werden? Viel Spaß :-) Präparat Stärke Kalib. Datum Kennzeichnung Aufbewahrung 22 Na 440 kbq BV 773 Holzkiste 22 Na 37 MBq OY 617 Bleizylinder 137 Cs 430 kbq BV 770 Holzkiste 60 Co 426 kbq BV 771 Holzkiste 60 Co 348 kbq PU 149 Etui Tabelle 1: Radioaktive Stoffe für den FP-Versuch Gammaspektroskopie 3

4 Abbildung 2: Zerfallsschema von 60 Co 4

5 Abbildung 3: Zerfallsschemata von 137 Cs und 22 Na 5