Der äußere Versuchsaufbau ist sehr einfach. Er besteht aus dem abgeschirmten Präparat, das man direkt vor die Natriumiodid-Schicht des Szintillationszählers stellt. Ein Szintillationszähler hat gegenüber der γ-Strahlung eine wesentlich höhere Nachweiswahrscheinlichkeit als z.B. ein Geiger-Müller-Zählrohr. Außderdem gelingt es mit Hilfe des Szintillationszählers, ohne allzu großen Aufwand eine Aussage über die Energie der registrierten γ-Quanten zu machen.
Innerer Versuchsaufbau
Beim Szintillationszähler wird im NaI-Kristall die Energie eines γ-Quants zum Teil in die Energie niederenergetischer Photonen umgesetzt. Diese Photonen lösen an der Photokathode des Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) einen Photoeffekt aus. Durch Vervielfachung der primär erzeugten Elektronen im SEV entsteht an seinem Ausgang ein messbarer Strom, der dann weiter verarbeitet werden kann.
Zerfall von Cs-137
Joachim Herz Stiftung
Stefan Richtberg
Das Isotop Cs-137 zerfällt beim β-Zerfall in 94,6% aller Zerfälle zunächst in einen angeregten Zustand des Ba-137 Kern. Dieser geht bald darauf unter die Aussendung eines γ-Quants der Energie \(E = 662\,\rm{keV}\) in den stabilen Grundzustand über.
Gamma-Spektrum von Cs-137
Das vom Szintillationszähler gezeigte Spektrum - entnommen der schönen Seite des GGG - zeigt aber nicht nur eine Linie bei \(662\,\rm{keV}\), sondern noch viele andere Energien, die auf andere Wechselwirkung der Strahlung mit dem Szintillationskristall zurückzuführen sind und die im folgenden erläutert werden:
1. Der Photopeak bzw. Full Energy Peak
Das Hauptmaximum bei 662 keV ist ziemlich scharf und wird Photopeak oder auch Full Energy Peak genannt. Dabei wird die Energie des eingestrahlten Photons vollständig durch Fotoeffekt und damit Vernichtung des Photons an den Kristall abgegeben.
2. Die Comptonkante und das Comptonkontinuum
Führt das Photon mit quasifreien Elektronen des Kristalls einen Comptoneffekt durch, so gibt es nicht wie beim Fotoeffekt seine gesamte Energie an den Kristall ab, sondern einen Teil der Energie. Den Rest der Energie trägt das Photon fort. Die abgegebene Energie ist nach der Comptonformel abhängig vom Streuwinkel und bildet im Spektrum das Comptonkontinuum mit einer scharfen Kante an der energiereichen Seite, die zu einem Streuwinkel von 180° gehört.
Zeige, dass die beim COMPTON-Effekt abgegebene Energie sich nach
\[{E_{\rm{C}}} = {E_{{\rm{Ph}}}} - \frac{{{E_{{\rm{Ph}}}}}}{{1 + \frac{{{E_{{\rm{Ph}}}}}}{{{E_{{\rm{e}}{\rm{,0}}}}}} \cdot \left( {1 - \cos \left( \vartheta \right)} \right)}}\]
berechnet und bestimme die Energie der COMPTON-Kante.
Führt das Photon mit Elektronen außerhalb des Kristalls, z.B. an der Rückwand der Präparathalterung Comptoneffekt durch und gelangt dieses Comptonphoton in den Szintillationskristall, so gibt es dort seine Energie oft wieder mittels Photoeffekt ab. Dadurch ensteht bei dieser Energien nochmals ein etwas flacherer Peak.
Bestimme die Energien des COMPTON-Photons für Streuwinkel von 120° bis 180°.
Da bei den Aufnahmen des Spektrums Bleiabschirmung verwendet werden, ist im niederenergetischen Bereich zusätzlich die Röntgenfluoreszenzlinie von Blei zu sehen. Die Kα und die Kβ-Linie können dabei im Spektrum nicht aufgelöst werden, da sie zu dicht beisammen liegen.
Joachim Herz Stiftung
