Nachweis und Messung radioaktiver Strahlung

Inhalt

1. Einführung

2. Nachweise und Messungen über die Ionisierungseigenschaften von Strahlungen
a) Ionisationskammer
b) Nebel- und Blasenkammer

3. Szintillation bei gewissen Substanzen und ihre Anwendung

4. Schwärzung von Photoplatten

zu 1) Einführung

Die Messung radioaktiver Strahlung kann aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften über drei Wege erfolgen:

a) Ionisierung (Geiger-Müller-Zählrohr, Ionisationskammer)
b) Szintillation bei bestimmten Stoffen
c) Schwärzung von Photoplatten

Wichtig bei den Meßverfahren ist, daß die Energieauflösung, das zeitliche Auflösevermögen und das räumliche Auflösevermögen möglichst gut ist.

Ebenso sollte die Nachweiswahrscheinlichkeit der verwendeten Geräte möglichst hoch sein.

Zu 2) Zu den Nachweismethoden durch Ionisierung

Bringt man ein radioaktives Präparat in das elektrische Feld zwischen zwei Kondensatorplatten, die zuvor geladen wurden, so stellt man mit Hilfe eines Ladungsmeßgerätes fest, daß die Ladungen auf den Platten schwinden.

Der radioaktive Strahler muß das Dielektrikum, also hier die Luft, zumindest teilweise leitfähig gemacht haben. Der Spannungsabfall in einem bestimmten Zeitintervall beschreibt die Zahl der entstandenen Ionen und läßt somit auf die Aktivität des Strahlers schließen.

Da eine Ladungsveränderung beim Einbringen des Strahlers in das elektrische Feld stattfindet, muß also ein Ionisationsstrom fließen.

Beim folgenden Versuchsaufbau läßt sich direkt der Ionisationsstrom messen, der als zeitlicher Mittelwert der unregelmäßig entstehenden Ionen zu verstehen ist.

a) Die etwas anders angeordnete Ionisationskammer funktioniert nach dem selben Prinzip:

Die Außenelektrode ist ein zylindrisches Gefäß und hat keinen Kontakt mit der positiv geladenen Innenelektrode, die auch Träger des Präparates ist.

An den Elektroden liegt Hochspannung an, sodaß sich ein starkes elektrisches Feld zwischen Trägeranode und Kathode ausbildet, welches entstehende Ionen sofort zu Trägern des Ionisationsstromes macht.

Die Innenelektrode wurde deshalb nicht als Kathode gewählt, damit durch die eventuell hohe Temperatur und die Strahlung über den glühelektrischen Effekt und den Photoeffekt an einer direkt an das Präparates angrenzenden Kathode keine Meßwertverfälschungen auftreten.

Wenn man die Abmessungen der Ionisationskammer nicht verändert, so kann man den Ionisationsstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung messen und in einem Diagramm auftragen:

Man hätte annehmen können, daß der Ionisationsstrom nur von der Aktivität des radioaktiven Präparates abhängt somit von der Zähl der gebildeten Ionen.

Da aber entstandene Ionen sich auf dem Weg zur entsprechenden Elektrode gegenseitig aufgrund der elektrostatischen Kräfte anziehen und sich schnell wieder zusammenfügen, so muß eine hohe Spannung angelegt sein um diese sogenannte Rekombination zu verhindern. Wenn trotz der weiteren Erhöhung der Kondensatorspannung kein nennenswerter Stromanstieg zu verzeichnen ist, so tritt so gut wie keine Rekombination mehr ein; der Sättigungsstrom ist erreicht. Nur der Sättigungsstrom gibt also direkte Auskunft über die von der Strahlung erzeugte Anzahl der Ionen ( Primärionisation).

Welchen Wert der Sättigungsstrom erreichen kann, hängt auch von der Baugröße der Ionisationskammer ab.

Dabei kann man auf die Deckelhöhe h eingehen. Folgende Abhängigkeit des Sättigungsstroms von der Deckelhöhe h gibt es, wenn man bedenkt, daß ein größeres Volumen mehr ionisierbare Teilchen bedeutet, die Reichweite der ionisierenden Strahlung aber begrenzt ist:

b) Mit Hilfe der Nebelkammer läßt sich Strahlungen ebenfalls nachweisen.

Die Kammer enthält ein gesättigtes Gasgemisch aus Wasser und Alkohol. Wenn nun das Medium durch eine plötzliche Expansion abgekühlt wird, so sinkt die Temperatur abrupt. Da ein kälteres Medium weniger Wasser- und Alkoholmoleküle halten kann, ist ein übersättigtes Gasgemisch nun in der Kammer, welches zwangsläufig kondensieren will. Das geschieht an entsprechenden Kondensationskeimen, insbesondere an Ionen, an welchen sich kleine Nebeltröpfchen bilden. Die durch Strahlung ionisierten Gasmoleküle entlang der Strahlenbahn erzeugen sichtbare Nebelspuren. Die Länge der Bahnen ist begrenzt, da die Strahlung durch Ionisation Energie abgibt.

Die Blasenkammer

Eine überhitzte Flüssigkeit, die aufgrund hohen Drucks nicht siedet, erfährt eine plötzliche Drucksenkung, sodaß Dampfblasen an ionisierten Flüssigkeitsmolekülen entstehen können. Eine Dampfblasenspur entsteht dann, wenn Strahlung die Medienatome ionisiert. Da Flüssigkeiten eine höhere Dichte besitzen als Gase, werden mehr Atome pro cm Spurlänge in Flüssigkeiten ionisiert. Deswegen verlieren diese Strahlen schneller an Energie, sodaß in der Blasenkammer meist die gesamte Bahn eines Teilchens aufgezeigt werden kann.

2) Szintillation

Wenn radioaktive Strahlung auf bestimmte Substanzen ( ZnS, NaJ) trifft, so beginnen diese Licht zu emittieren ( Szintillation). Dieser Effekt findet im Spintariskop Verwendung:

Man verwendet einen Szintillationszähler, wenn das Auge nicht mehr in der Lage ist, die Lichtblitze zu unterscheiden. Der Szintillationszähler besteht aus einer szintillationsfähigen Schicht, die Strahlung in ultraviolettes oder sichtbares Licht umsetzt. Nachgeschaltet ist eine Photokathode, die den Photoeffekt ausnut zt und bei Lichteinfall Elektronen emittiert. Diese lösen im Sekundärelektronenvervielfacher ( Multiplier ) Elektronenlawinen aus, die mit Hilfe eines Meßverstärkers als Impulse meßbar sind, sodaß über diesen Umweg die Strahlungsintensität bestimmt werden kann. Der Multiplier dient also dazu, aus einem Primärelektron einen meßbaren elektrischen Impuls zu machen.

Beim Auftreffen eines Primärelektrons auf die erste Dynode schlägt dieses mehrere Sekundärelektronen aus dem Dynodenmaterial heraus. Elektrische Felder zwischen den Dynoden beschleunigen die Sekundärelektronen, sodaß sie so hohe Geschwindigkeiten erreichen, daß beim Auftreffen auf die jeweils nächste Dynode jedes Elektron wieder mehrere Sekundärelektronen herausschlägt. Bei einer zehnstüfigen Dynodenanordnung erreicht man eine Verstärkung um das 10 bis 10 fache. Die Dauer eines solchen Vervielfachungsvorgangs liegt bei 10 bis 10 Sekunden.

Nulleffekt

Auch ohne das Vorhandensein eines radioaktiven Präparates vermerkt man Zählimpulse in einem Zählrohr. Selbst eine mehrere cm dicke Bleiabschirmung vermag nicht, diesen Effekt zu vermeiden. Die Strahlung, die dieses Phänomen erzeugt, muß also sehr energiereich sein.

Sie wird Höhenstrahlung genannt.

Je größer der Abstand zur Erde, desto intensiver ist die Strahlung.

Zur Zählstatistik

Da der Zerfall eines Kerns bzw. die Aussendung von Strahlung spontan geschieht, führt die Wiederholung einer Messung bei gleichen Bedingungen oft zu anderen Ergebnissen.

Deshalb bestimmt man aus möglichst vielen Messungen einen Mittelwert.

Nach der Theorie der Poissonverteilung beträgt die Standartabweichung:

ist kein Maximalfehler. Nach der Theorie liegen 68 % aller Meßwerte im Intervall , 95 % liegen im Intervall und 99 % liegen im Intervall .

Wenn nur eine Messung durchgeführt werden soll, so schätzt man den Fehler auf . Anwendung des Szentillationszählrohres:

Messung von Gamma- Energien

Da die Energie der Gamma-Strahlung nicht wie bei Alpha- oder Betastrahlung über deren Ablenkverhalten in elektrischen oder magnetischen Feldern bestimmt werden kann, muß man sich Gedanken über ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Gammaenergien machen. Auch das Braggsche Verfahren ist nicht geeignet über die Bestimmung des Glanzwinkels die Wellenlänge der Strahlung und somit ihre Energie zu bestimmen, da die extrem hochfrequente Strahlung am Gitter sogut wie keine Ablenkung erfährt.

Also bestimmt man die Gammaenergie über ihre Wirkung auf Materie.

Der Szentillationszähler findet hier Verwendung.

Ein Teil der Energie der Gammaquanten (1 %)wird an der Szintillationsschicht in sichtbares Licht umgewandelt und von der Photozelle in ein verstärktes elektrisches Signal umgewandelt. Die in der Photozelle entstandene Elektronenlawine, die einen Spannungsimpuls darstellt, wird über den Arbeitswid erstand relativ langsam wieder abgebaut. Der parallel dazu geschaltete Kondensator erfährt auf der einen Platte eine Aufladung durch die Elektronen, sodaß bei der dem Meßgerät zugewandten Platte negative Ladungsträger verdrängt werden. Es entsteht eine kur zzeitige Potentialdifferenz, die vom Verstärker verstärkt und vom Meßgerät als Impuls registriert wird.

Die Höhe des Impulses hängt proportional von der Energie des Gammaquants ab.

Folgende Kennlinie für einen Strahler erhält man, wenn man die Zahl der Impulse, also die Impulsrate, in Abhängigkeit der Quantenenergie bzw. der Impulshöhe angibt.

Deutung des Impulshöhenspektrums

Gammastrahlung wird in drei Prozessen von der Szintillationsschicht aufgenommen, die entscheidend für die Grafik ist.

1. Photoeffekt

Gammaquanten können ihre Energie an ein Hüllenelektron abgeben.

Dieser Vorgang heißt Photoeffekt und ist bereits aus Versuchen mit niederenergetischen Strahlen ( Licht) bekannt.

Wenn Gammaquanten ihre gesamte Energie an die bevorzugt inneren Hüllene lektronen abgeben, so werden diese vom Atomrumpf getrennt.

Beim Rückfall in den energetischen Grundzustand wird ein Röntgenquant emittiert.

Es ist wichtig, daß ein dritter Stoßpartner (z. B. ein Proton) vorhanden ist, da sonst der Photoeffekt nicht funktioniert:

Da die Masse eines Protons wesentlich größer als die eines Elektrons ist, nimmt es -bei angenommen gleicher Impulsverteilung- nur einen sehr kleinen Energiebetrag auf. Dieser Energieverlust für das Elektron ist unerheblich.

Es werden bevorzugt Elektronen der inneren K-Schale aus dem Atom gestoßen. Das zeigen Versuche, bei denen Elektronenenergien, die sich um die Ablösearbeit von der (bekannten) Quantenenergie der Gammastrahlung unterscheiden, am häufigsten sind. Der Photopeak ist der größte Spannungsimpuls, wobei hier die Quantenenergie im höchsten Maße der Bildung von Photoelektronen im SEV zur Verfügung steht.

2. Comptoneffekt

Nur ein Teil der Energie des Gammaquants wird beim Comptoneffekt an ein Hüllenelektron abgegeben. Der Energierest findet sich in der Streustrahlung (ebenfalls Gammaquanten) wieder. Bei einer Rückstreuung um 180 Grad erfolgt die größte Energieabgabe an das Elektron. Nun kann das gestreute Gammaquant noch vom Szintillationskristall absorbiert werden; dann entsteht ein dem Photopeak zugehöriger Spannungsimpuls. Es trägt die gesamte Gammaenergie zur Bildung von Lichtquanten bei. Wenn aber das gestreute Gammaquant den Kristall verläßt, so ist nur die Energie des Comptonelektrons relevant, der Spannungsimpuls wird kleiner.

Bei 0,478 MeV erfolgt die Rückstreuung, mehr Energie kann über den Comptoneffekt nicht abgegeben werden. Für eine steigende Impulshöhe fällt die Impulshäufigkeit auf fast 0 ab. Der Bereich um 0,478 MeV wird Comptonkante genannt, der Bereich unter der Comptonkante stellt das Comptongebirge dar.

Die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten de Comptoneffektes nimmt mit wachsender Ordnungszahl zu.

3.) Paarbildung

Wenn die Energie des Gammaquants mehr als doppelt so groß ist wie die Ruheenergie des Elektrons, so kann eine Paarbildung im Coulombfeld eines Kerns oder eines Elektrons erfolgen, wobei ein Elektron und ein Positron entstehen ( ).

Der überschüssige Energiebetrag wird als kinetische Energie an die entstandenen Teilchen und dem Teilchen, in dessen Coulombfeld die Paarbildung stattgefunden hat, abgegeben.

Das Positron existiert nur sehr kurz; es verbindet sich schnell wieder mit einem Elektron unter Aussendung von mindestens zwei Gammaquanten. Je größer Ordnungszahl und Energie, desto wahrscheinlicher ist die Paarbildung. Ab 5 MeV überwiegt der Prozeß gegenüber allen anderen Prozessen.

4.) Schwärzung von Photoplatten

Becquerel entdeckte als erster durch einen Zufall, daß radioaktive Substanzen Strahlen aussenden, die Photoplatten schwärzen können. Die in Photoplatten enthaltenen Silber- Bromid-Kristalle werden bei Licht und Strahlungseinwirkung in geringen Mengen zu metallischem Silber. Es entsteht ein latentes Bild, wobei bei der Entwicklung die Restkristalle komplett in metallisches Silber umgewandelt werden.

Da die Strahlung beim Durchdringen der Silber-Bromidschicht an Energie verliert, ist die Länge in Bezug auf die Körnung (Anzahl Kristalle / cm ) ein Maß für die Energie des Teilchens.

Nachteilig bei der Verwendung des photographischen Verfahrens ist die Tatsache, daß erst nach der Entwicklung festgestellt werden kann, ob wichtige Ereignisse festgehalten wurden.

Die für den Nachweis radioaktiver Strahlung besser geeigneten Platten nennt man Kernspurplatten.

Literatur:

1) Metzler Physik

2) Kopien S: 41-58