g-Spektroskopie  (Theorie)                                   

Experimente mit dem Szintillationszähler Bernhardi - Großberger 2003


Interpretation eines Gamma-Spektrums am Beispiel von Cs-137

Beim Zerfall des radioaktiven Isotops Cs-137 ist die Aussendung von g-Quanten der Energie W = 662 keV charakteristisch. (Dabei geht zunächst der Cs-137 Kern unter Aussendung von b-Strahlung in den angeregten Ba-137 Kern über, welcher sich durch Abgabe dieser 662 keV Quanten stabilisiert.)

Spektroskopiert man nun ein Cs-137 Präparat mit einem schulüblichen Szintillationszähler, so erhält man aber keineswegs nur einen monoenergetischen Peak bei 662 keV. Die Abb. zeigt, daß im niederenergetischen Bereich weitere Ereignisse registriert werden.

Um dieses Energiespektrum prinzipiell zu verstehen, sollte man sich zunächst vor Augen führen, daß die Energieaufnahme im Szintillationskristall bei allen Quantenprozessen durch die Vermittlung von Elektronen im Kristall erfolgt. Es sind hierbei drei unterschiedliche Prozesse zu betrachten:

Siehe Nummerierung in der Darstellung des Spektrums.

1. Die Gesamtabsorptionslinie (Photopeak)

Das hohe, relativ monoenergetische Hauptmaximum wird Photopeak oder auch Gesamtabsorptionslinie genannt. Dabei wird die gesamte Energie des 662 keV Photons vollständig durch Photoeffekt an den Kristall abgegeben. Dabei "verschwindet" das Lichtquant und die Energie des Photoelektrons wird im SEV (Sekundär-Elektronen-Vervielfacher) verstärkt und schließlich als Zählimpuls demjenigen Kanal zugeordnet, der der Energie von 662 keV entspricht.

2. Die Compton-Kante

Die über einen breiten Energiebereich verteilten Ereignisse im niederenergetischen Teil des Spektrums nennt man Compton-Kontinuum, ihre Abgrenzung zum höherenergetischen Teil heißt Compton-Kante. Für ihre Entstehung sind Compton-Ereignisse im Zählerkristall verantwortlich:

Die 662 keV - Quanten treffen im Kristall auf "quasi-freie" Elektronen und geben an diese einen Teil ihrer Energie ab, wobei der Energiebetrag nach Compton vom Streuwinkel abhängt.

Der maximale Energiebetrag, den ein Compton-Elektron auf diese Weise aufnehmen kann, berechnet sich nach folgender Formel, wenn für a = 180 eingesetzt wird (Compton-Rückstreuung):

bzw.
eingesetzt:

Da Compton-Streuprozesse im Kristall in allen Winkelbereichen von 0o bis 180o auftreten, werden Compton-Elektronen mit Energiebeträgen von 0 keV bis 478 keV registriert, und den entsprechenden Kanälen zugeordnet.

3. Die Rückstreulinie

Während für die beiden bisher beschriebenen Teile des Spektrums Ereignisse im Zählerkristall verantwortlich sind, muß die Ursache für die Entstehung der Rückstreulinie außerhalb des Szintillationszählers gesucht werden:

Gewöhnlich verwendet man radioaktive Präparate, welche in einer Halterung des Strahlerstiftes eingebettet sind. Die g-aktive Substanz strahlt darin zunächst nach allen Seiten, wobei es vorkommt, daß hf = 662 keV - Quanten, welche in die - dem Zähler entgegengesetzte - Richtung gestrahlt werden, bereits in der Präparateumgebung Compton-Streuungen erfahren und schließlich als Streuquanten der Energie hf vom Szintillationszähler registriert werden.

Nun kann zunächst vereinfachend angenommen werden, daß außerhalb des Zählerkristalls alle Streu-winkel gleichwahrscheinlich sind. Betrachtet man aber den Zusammenhang zwischen dem Streuwinkel und dem Energie des gestreuten Quants hf, so stellt man folgenden funktionalen Zusammenhang fest:

, wobei der Graph der Zuodnung folgendermaßen aussieht:

Man sieht, daß alle Energiequanten hf, welche im Winkelbereich zwischen 100o und 180o gestreut werden, einem eng begrenzten Energiebereich zugeordnet werden. Diese Quanten werden mittels Photoeffekt im Szintillationskristall registriert (als unterschiedliche Gesamtabsorptionslinien in diesem Bereich). Eine Überhöhung der Zählrate in den entsprechenden Kanälen ist die Folge, wobei ein nicht sonderlich scharf ausgeprägtes Maximum zustandekommt.

4. Die K-Linie von Blei
Da bei der Aufnahme des Spektrums eine Bleiabschirmung verwendet wurde, ist im niederenergetischen Bereich zusätzlich die Röntgenfluoreszenzlinie von Blei zu sehen. Da hier die Ka und die Kb -Linie nicht aufgelöst werden, kann man von einer mittleren Röntgen K-Energie ausgehen, die nach Moseley(Versuchsanleitung zur Röntgenfluoreszenz) für Blei (Z=82) bei 77 keV liegt.

Dieser Energiewert kann als zusätzliche Eichung verwendet werden.


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