EXP:Gammaspektroskopie: Unterschied zwischen den Versionen

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Durch die energieaufgelöste Beobachtung von Gammastrahlung lassen sich unterschiedliche Isotope identifizieren. Natürlicherweise lässt sich diese Strahlung nicht wie sichtbares Licht direkt beobachten, sodass für die Gammaspektroskopie andere experimentelle Zugänge nötig werden.


__INHALTSVERZEICHNIS__
__INHALTSVERZEICHNIS__
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[[Datei:EXP Materie AufbauGammaspektroskopie.jpg|600px|thumb|right||Zu erkennen sind der Szintillationsdetektor, die Hochspannungsversorgung und das GS-USB-Pro. Um die Nullrate zu reduzieren, ist auch eine selbstgebaute Abschirmung verfügbar.]]
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= Versuchsanleitung =
   
   
=== Benötigtes Material ===
== Benötigtes Material ==


* 3-D-gedruckte Halterung für Bleiplatten
* Szintillationsdetektor
* [[HW:Geiger-Müller-Zählrohr (Ranger)|Zählrohr]]
* Gammaspektrometer GS-USB PRO
* 3D-gedruckte Halterungen für die Präparate
* Hochspannungs-Koaxialkabel
* passendes Post, Postholder und Base für die kleinere Präparathalterung
* Abschirmung für den Szintillationsdetektor
* [[HW:Isotopengenerator|Gammastrahler (hier: Cs-137)]]
* [[HW:Radioaktive Isotope|Radioaktive Isotope]]


=== Versuchsaufbau ===
== Versuchsaufbau ==


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Der Szintillationsdetektor besteht aus einem dotierten (Tl) Natriumiodidkristall. Die durch Szintillationen entstehenden Photonen werden dann mit einem Photomultiplier verstärkt. Dieser Teil des Aufbaus befindet sich bereits zusammen in einem lichtundurchlässigen Aluminiumgehäuse. Das dabei enstehende Signal wird anschließend noch von einem Vorverstärker verstärkt und wird dann über das GS-USB PRO ausgelesen. Das GS-USB PRO besteht im wesentlichen aus einer Soundkarte, welche den enstehenden Stromimpulsen aufgrund ihrer Höhe einen bestimmten Kanal zuweist, welcher dann auf dem PC angezeigt werden kann. Die Auswertung erfolgt über das Programm PRA.<ref>[https://www.gammaspectacular.com/marek/pra/index.html ''Website der Software PRA''] Abgerufen am 23.08.2021</ref> Die Funktionsweise des Programms ist nach der erfolgten Installation über den Menueinstellungen ("Help") verfügbar.


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[[Datei:EXP_Materie_Funktionsschaltbild_Gammaspektroskopie.jpeg|400px|thumb|right|Funktionsschaltbild Gammaspektroskopie]]
[[Datei:EXP_Materie_Funktionsschaltbild_Gammaspektroskopie.jpeg|400px||600px|thumb|right||Funktionsschaltbild Gammaspektroskopie]]
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== Versuchsdurchführung ==


=== Allgemeiner Hinweis ===
Für die Nutzung des Gammaspektrometers und dessen genauer Funktionsweise, insbesondere der mathematischen Zusammenhänge, welche PRA nutzt, ist an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich auf die Menueinstellung "Help" verwiesen.<ref>[https://www.gammaspectacular.com/marek/pra/index.html ''Website der Software PRA''] Abgerufen am 23.08.2021</ref>


=== Durchführung ===
=== Bestimmung der Pulsform ===
Damit das Programm PRA, die registrierten Pulse identifizieren kann, ist es zunächst notwendig, dass das Programm eine Reihe an Impulsen aufnimmt. Dies erfolgt idealerweise mit der Nullrate. Dabei nimmt das Programm eine idealisierte Pulsform auf und berechnet diese und kann dann überlagerte Pulse ("schlechte" Pulse) identifizieren und aus der Datenaufnahme entfernen. Dadurch lassen sich mit dem vorhandenen Aufbau jedoch in Abhängigkeit von der eingestellten zulässigen Abweichung zu einem Abfall der Zählrate bei hoher Aktivität führen: Das Programm entfernt überlagerte Pulse. Daher ist es ratsam einen optimalen Abstand zwischen Detektor und Präparat zu wählen


=== Kalibration ===
PRA registriert nun z.B. das Spektrum von Cs-137. Dabei werden die registrierten Impulse zunächst in willkürlichen Einheiten sortiert. Zur Kalibration muss nun der passende Menupunkt ausgewählt werden und so z.B. der 662&thinsp;keV Photopeak für die Kalibration ausgewählt werden. Eine Ein-Punkt-Kalibration ist ausreichend.


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=== Aufnahme weiterer Spektren ===
Nun können weitere Spektren der verfügbaren [[HW:Radioaktive Isotope| Isotope]] aufgezeichnet werden. Untersuchenswerte Objekte könnten z.B. auch thoriumhaltige Schweißstäbe o.ä. sein.


== Auswertung ==


=== Auswertung ===
Die Auswertung der Spektren kann beispielsweise durch den Vergleich mit den bekannten Zerfallsschemata erfolgen.<ref>[https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/index.php/HW:Radioaktive_Isotope#Fotos ''PuD-Wiki'']</ref>


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[[Datei:Experiment_Materie_Abschirmung Gammastrahlung.jpg|200px|thumb|right|In dieser Abbildung ist die Zählrate des 137-Cs Präparats über den unterschiedlichen Bleidicken aufgetragen. In rot ist ein exponentieller Fit der Form f(x) = A*exp(-x*B) durch die Messwerte gelegt. Bemerkung: Von den Messwerten in der Abbildung ist die Nullrate bereits abgezogen.]]
<ul class="example-orbit" data-orbit>
  <li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Hintergrund.JPG|slide 1]]
    <div class="orbit-caption">
      Nullrate
  </div>
   </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Na.jpg|slide 2]]
    <div class="orbit-caption">
      Na-22
</div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Am.jpg|slide 3]]
    <div class="orbit-caption">
      Am-241
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Co.jpg|slide 4]]
    <div class="orbit-caption">
      Co-60
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Cs.jpg|slide 5]]
    <div class="orbit-caption">
      Cs-137
</div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Thorium.JPG|slide 6]]
    <div class="orbit-caption">
      Th-232 in Schweißstäben
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie InterSpec.JPG|slide 5]]
    <div class="orbit-caption">
    Th-232 in InterSpec
  </div>
  </li>
</ul>
   </div>
   </div>
</div>
</div>


Für eine qualitativ bessere Auswertung wäre auch die Nutzung von InterSpec der Sandia National Laboratories nützlich.<ref>[https://github.com/sandialabs/InterSpec InterSpec ''Software Sandia Labs GitHub''] Abgerufen am 23.08.2021</ref>
Folgende Fragen könnten für tiefergehende Betrachtung interessant sein:
* Wieso gibt es neben den Peaks, die sich unmittelbar aus den Zerfallsschemata ergeben, weitere?
* Welchen Einfluss kann eine Abschirmung aus Blei auf den Detektor haben?
* Gibt es Effekte, die die Wechselwirkung von Gammaquanten und dem Detektor beschreiben und damit möglicherweise das Spektrum erklären können?
* Welche Isotope lassen sich in Alltagsgegenständen (z.B. Bananen) detektieren?
* Welche äußeren Parameter könnten die Messung beeinflussen?


== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==
== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==


Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Mauris quis lectus tristique, gravida arcu vitae, pulvinar dolor. Pellentesque luctus sapien eu sollicitudin interdum. Curabitur et pharetra ligula. Donec vel auctor dui, a malesuada lorem. Vestibulum scelerisque orci at odio tincidunt, sit amet viverra magna euismod. Mauris commodo eros quis vulputate dignissim. Maecenas vulputate tempus consequat. In hac habitasse platea dictumst. Vivamus consequat dignissim ornare. Suspendisse nec nulla erat. Sed blandit vestibulum mi sed convallis. Quisque mollis eu sapien sit amet dictum. Mauris faucibus commodo nulla id semper. Interdum et malesuada fames ac ante ipsum primis in faucibus. Nulla vel nisl tellus.  
Bei der Nutzung von PRA muss der Audioeingang festgelegt werden. Hier ist es ratsam diesen auch bei bereits geladenen bzw. gespeicherten Einstellungen erneut zu laden. Ansonsten führt dies sehr häufig zu einer Verschiebung im Spektrum von ca. 75&thinsp;keV.


=== Sicherheitshinweise ===
== Sicherheitshinweise ==
* [[BA:Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen|Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen]]
* [[BA:Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze|Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze]]
* [[BA:Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze|Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze]]
* [[BA:Bauartzugelassene radioaktive Präparate|Bauartzugelassene radioaktive Präparate]]
* [[BA:Bauartzugelassene radioaktive Präparate|Bauartzugelassene radioaktive Präparate]]


=== Fotos ===
= Fotos =
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<div class="row">
   <div class="large-8 large-centered columns">
   <div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<ul class="example-orbit" data-orbit>
   <li class="active">
<li class="active">
     [[Datei:EXP_Materie_Abschirmungsgesetz_Ranger.jpg|slide 1]]
    [[Datei:EXP Materie AufbauGammaspektroskopie.jpg|slide 1]]
    <div class="orbit-caption">
      Aufbau Gammaspektroskopie
</div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP_Materie_Funktionsschaltbild_Gammaspektroskopie.jpeg|slide 2]]
    <div class="orbit-caption">
      Funktionsschaltbild Gammaspektroskopie
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Hintergrund.JPG|slide 3]]
    <div class="orbit-caption">
      Nullrate
  </div>
   </li>
<li class="active">
     [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Na.jpg|slide 4]]
     <div class="orbit-caption">
     <div class="orbit-caption">
    Versuchsaufbau: Abschirmung von Gammastrahlung
      Na-22
     </div>
     </div>
   </li>
   </li>
<li class="active">
<li class="active">
[[Datei:Experiment_Materie_Abschirmung Gammastrahlung.jpg|slide 2]]
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Am.jpg|slide 5]]
     <div class="orbit-caption">
     <div class="orbit-caption">
    Auswertung: Abschirmung von Gammastrahlung
      Am-241
     </div>
     </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Co.jpg|slide 6]]
    <div class="orbit-caption">
      Co-60
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Cs.jpg|slide 7]]
    <div class="orbit-caption">
      Cs-137
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie Thorium.JPG|slide 8]]
    <div class="orbit-caption">
      Th-232 in Schweißstäben
  </div>
  </li>
<li class="active">
    [[Datei:EXP Materie Gammaspektroskopie InterSpec.JPG|slide 9]]
    <div class="orbit-caption">
    Th-232 in InterSpec
</div>
   </li>
   </li>
</ul>
</ul>
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</div>
</div>


= Literatur =
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https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
Dieses Werk ist lizenziert unter einer [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de Creative Commons  Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz.]
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
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Aktuelle Version vom 16. Oktober 2025, 09:32 Uhr


Durch die energieaufgelöste Beobachtung von Gammastrahlung lassen sich unterschiedliche Isotope identifizieren. Natürlicherweise lässt sich diese Strahlung nicht wie sichtbares Licht direkt beobachten, sodass für die Gammaspektroskopie andere experimentelle Zugänge nötig werden.

Zu erkennen sind der Szintillationsdetektor, die Hochspannungsversorgung und das GS-USB-Pro. Um die Nullrate zu reduzieren, ist auch eine selbstgebaute Abschirmung verfügbar.

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

  • Szintillationsdetektor
  • Gammaspektrometer GS-USB PRO
  • Hochspannungs-Koaxialkabel
  • Abschirmung für den Szintillationsdetektor
  • Radioaktive Isotope

Versuchsaufbau

Der Szintillationsdetektor besteht aus einem dotierten (Tl) Natriumiodidkristall. Die durch Szintillationen entstehenden Photonen werden dann mit einem Photomultiplier verstärkt. Dieser Teil des Aufbaus befindet sich bereits zusammen in einem lichtundurchlässigen Aluminiumgehäuse. Das dabei enstehende Signal wird anschließend noch von einem Vorverstärker verstärkt und wird dann über das GS-USB PRO ausgelesen. Das GS-USB PRO besteht im wesentlichen aus einer Soundkarte, welche den enstehenden Stromimpulsen aufgrund ihrer Höhe einen bestimmten Kanal zuweist, welcher dann auf dem PC angezeigt werden kann. Die Auswertung erfolgt über das Programm PRA.[1] Die Funktionsweise des Programms ist nach der erfolgten Installation über den Menueinstellungen ("Help") verfügbar.

Funktionsschaltbild Gammaspektroskopie

Versuchsdurchführung

Allgemeiner Hinweis

Für die Nutzung des Gammaspektrometers und dessen genauer Funktionsweise, insbesondere der mathematischen Zusammenhänge, welche PRA nutzt, ist an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich auf die Menueinstellung "Help" verwiesen.[2]

Bestimmung der Pulsform

Damit das Programm PRA, die registrierten Pulse identifizieren kann, ist es zunächst notwendig, dass das Programm eine Reihe an Impulsen aufnimmt. Dies erfolgt idealerweise mit der Nullrate. Dabei nimmt das Programm eine idealisierte Pulsform auf und berechnet diese und kann dann überlagerte Pulse ("schlechte" Pulse) identifizieren und aus der Datenaufnahme entfernen. Dadurch lassen sich mit dem vorhandenen Aufbau jedoch in Abhängigkeit von der eingestellten zulässigen Abweichung zu einem Abfall der Zählrate bei hoher Aktivität führen: Das Programm entfernt überlagerte Pulse. Daher ist es ratsam einen optimalen Abstand zwischen Detektor und Präparat zu wählen

Kalibration

PRA registriert nun z.B. das Spektrum von Cs-137. Dabei werden die registrierten Impulse zunächst in willkürlichen Einheiten sortiert. Zur Kalibration muss nun der passende Menupunkt ausgewählt werden und so z.B. der 662 keV Photopeak für die Kalibration ausgewählt werden. Eine Ein-Punkt-Kalibration ist ausreichend.

Aufnahme weiterer Spektren

Nun können weitere Spektren der verfügbaren Isotope aufgezeichnet werden. Untersuchenswerte Objekte könnten z.B. auch thoriumhaltige Schweißstäbe o.ä. sein.

Auswertung

Die Auswertung der Spektren kann beispielsweise durch den Vergleich mit den bekannten Zerfallsschemata erfolgen.[3]


  • slide 1 
         Nullrate
  • slide 2 
         Na-22
  • slide 3 
         Am-241
  • slide 4 
         Co-60
  • slide 5 
         Cs-137
  • slide 6 
         Th-232 in Schweißstäben
  • slide 5 
        Th-232 in InterSpec

Für eine qualitativ bessere Auswertung wäre auch die Nutzung von InterSpec der Sandia National Laboratories nützlich.[4] Folgende Fragen könnten für tiefergehende Betrachtung interessant sein:

  • Wieso gibt es neben den Peaks, die sich unmittelbar aus den Zerfallsschemata ergeben, weitere?
  • Welchen Einfluss kann eine Abschirmung aus Blei auf den Detektor haben?
  • Gibt es Effekte, die die Wechselwirkung von Gammaquanten und dem Detektor beschreiben und damit möglicherweise das Spektrum erklären können?
  • Welche Isotope lassen sich in Alltagsgegenständen (z.B. Bananen) detektieren?
  • Welche äußeren Parameter könnten die Messung beeinflussen?

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Bei der Nutzung von PRA muss der Audioeingang festgelegt werden. Hier ist es ratsam diesen auch bei bereits geladenen bzw. gespeicherten Einstellungen erneut zu laden. Ansonsten führt dies sehr häufig zu einer Verschiebung im Spektrum von ca. 75 keV.

Sicherheitshinweise

Fotos

  • slide 1 
         Aufbau Gammaspektroskopie
  • slide 2 
         Funktionsschaltbild Gammaspektroskopie
  • slide 3 
         Nullrate
  • slide 4 
         Na-22
  • slide 5 
         Am-241
  • slide 6 
         Co-60
  • slide 7 
         Cs-137
  • slide 8 
         Th-232 in Schweißstäben
  • slide 9 
        Th-232 in InterSpec

Literatur

  1. ↑ Website der Software PRA Abgerufen am 23.08.2021
  2. ↑ Website der Software PRA Abgerufen am 23.08.2021
  3. ↑ PuD-Wiki
  4. ↑ InterSpec Software Sandia Labs GitHub Abgerufen am 23.08.2021
88x31.png Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0
Abgerufen von „http://wiki.pud-edu.de/index.php?title=EXP:Gammaspektroskopie&oldid=1678“