Gamma-fotoner kan förlora energi i inelastiska kollisioner med (nästan) fria elektroner. Betrakta fotoner med en energi på 662 keV. Gör en graf av elektronernas kinetiska energi efter kollisionen som funktion av spridningsvinkel (0 < θ < 180°). Rita i samma figur en graf av fotonens energi efter kollisionen. Bifog en skiss som klart visar vad spridningsvinkeln är.
Vi har två typer av detektorer för gammastrålning:
 |
Mätinstrument är en GDM15 (3 stycken) och en GDM20, alla med scintillationsdetektorn S-1212-I av Teledyne. Scintillatormaterialet är en 3″x3″ kristall av natriumjodid. På grund av jods stora atomnummer, absorberar NaI gammastrålning effektivt. Absorption ger uppgov till snabba Compton- och fotoelektroner, vars energi snabbt minskar genom excitation i materialet. Det uppstår elektron-hål-par, som kan rekombinera vid dopningcentra (tallium) under utsändning av ljus. Saltet är transparant, och ett mörkeradapterat öga skulle kunna se små blixter (scintillationer) i materialet. |
Det totala antalet synliga fotoner (blixtens ljusstyrka) är ungefär proportionellt mot gamma-fotonens energi. Ljusstyrkan mäts med PMT, photomultiplier tube.
För varje gammakvant ger detektorn alltså en puls vars höjd är proportionell mot gammafotonens energi. Pulserna sorteras på höjd i en MCA (multi-channel analyzer, den svarta lådan). På datorn kan man då se en graf av gammafotonernas energifördelning.
 |
Även om kärnans gammastrålning är monokromatiskt, blir det en fördelning i instrumentet. Fototoppen produceras när gammakvantens energi helt omvandlas till en elektrons kinetiska energi genom fotoelektrisk effekt. Det blir en viss bredd i fördelningen (i scintillationsdetektorer typ 5 eller 10 %) på grund av att en slumpvis del av fotonerna detekteras av fotomultiplikatorröret. Men en del av gammafotonerna sprids genom comptonspridning. Om gammakvanten sedan lämnar detektorkristallen, mäter detektorn en lägre energi. Det ger upphov till ett comptonkontinuum av elektronenergier. Elektronen får maximal energi när gammakvanten sprids genom 180°. I spektrum ger det upphov till comptonkanten. |
Ofta (även hos oss) står detektorn i en bly skärmning. Det finns gammafotoner som fotoexciterar bly 1s-elektroner. Röntgenfluorescens ger då upphov till en Pb Kα topp i detektorn. Gammakvanter kan också comptonspridas av omgivningen, och de som kommer tillbaka till detektorn har spridits genom ungeför 180° och ger upphov till en backscattering peak.
Det finns andra typer av gammaspektrometrar. Vi har också en CdTe-detektor med upplösning på 1%. Detektionsprincipen liknar den av ytbarriärdetektorn - alla elektron-hålpar mäts helt elektroniskt. Nackdelen är att känsligheten är mycket lägre på grund av kadmiumtelluriddiodens lilla volym. Vid energier över 100 keV blir chansen att fotoner går rakt igenom allt större.
Riktigt bra upplösning och känslighet har kväve-kylda germaniumdetektorer.
Slå på datorn. Operativsystemet är MSDOS.
Ge kommando CD DAS för att komma i mappen DAS.
Ge sedan kommando AUTODAS för att starta
datainsamlingsprogrammet. Slå på MCAn (den svarta lådan).
Mätsystemet ska ha ett fönster för gamma-energier som
är ungefär 3 MeV brett. Med Cs-137 kan man kolla om dess fototopp
ligger mellan kanal 220 och 250. Om inte ska ratten på den röda
detektorlådan justeras.
Använd kommandon STA, STO
(start och stopp) och NOL (för att nollställa spektrum).
Det finns också OMS för omstart av en pågående mätning
från ett nollställt spektrum.
På MCAn (den svarta lådan) kan
man justera tröskeln så att brus och ointressanta fotoner vid
låg energi inte detekteras.
Den radioaktiva källan som används för kalibrering är 152Eu som har ett komplicerat sönderfallschema. Spektrumet har fototoppar vid 122, 245, 344, 779, 964, 1086+1112 och 1408 keV. (Jämför Eu-152 spektrum tagen med CdTe-detektor.)
Lägg europiumkällan på
scintillatordetektorn. Ta ett spektrum.
Spara spektret med kommandot LAG namn,
till exempel LAG EU152KAL.
Man kan kalibrera genom att ange energi för två toppars centroider.
Tag reda på centroiden för 1,41MeV-toppen i spektrumet genom att
placera hårkorset vid toppens vänsterfot och klicka med vänstre
musknappen. Placera sedan hårkorset vid toppens högre fot och klicka
med högre musknappen. (Det kanske går lättare om man zoomar in
och ut med Z och UNZ.)
Kommandot CEN ger då kanalen för tyngdpunkt av den delen
av toppen som ligger ovanför linjen mellan markörerna.
Ge nu kommandot KAL 1.41.
Upprepa proceduren för toppen vid 0,344 MeV eller vid 0,122 MeV.
Kolla om de andra topparna ligger bra.
(Om det inte blev rätt, kan man börja om efter UNKAL.)
Nu är spektret energikalibrerat, vilket märks på att x-axelns
kanalskala ersätts av en energiskala. Spara det kalibrarade spektret igen,
så att man senare kan hämta kalibreringen med kommandot
HKA namn.
CdTe-detektorn kom med mjukvara som tillåter kalibrering med fler än två toppar.
Med denna energikalibrering kan man nu göra ett urval ur följande experiment. Ta åtminstone experimenten radondöttrar och comptonspridning.
 |
Ta nu spektra av några radioaktiva preparat. Bestäm fototopparnas centroider i MeV, och jämför med litteraturvärden. Bestäm var radioaktiviteten i den "okända" källan kommar ifrån. Na-22 är en positronemitter, och förutom kärnövergången vid 1,275 MeV ser man 511-keV-fotoner från positronernas annihilering. Varför ser man inte en topp vid summan av 1,275 MeV och 0,511 MeV men ingen topp vid 1,022 MeV för båda fotoner från par-annihilering? |
SPE 2 för att visa spektrum 2. Använd kommandot TID n
(där n ä tiden i sekunder) för att kunna
jämföra spektra med samma insamlingstid, till exempel två minuter.
Kommandon ADD n och SUB n adderar och
subtraherar spektrum i fönster n från aktuell spektrum.
Kommandon HKA n hämtar kalibreringen från fönster n.
Centroiden i differensspektrum ger energin av γ' vid spridning genom vinklar
nära 180°.
Båda 39K (93 %) och 41K (7 %) är stabila med jämna antal neutroner, men 40K (0,0117 %) är inte helt stabilt. Vid 11 % av alla sönderfall fångar kärnan in en elektron från K-skalet, och förvandlas därmed till ett exciterat tillstånd av Ar-40, som relaxerar genom gamma-emission.
Man kan mäta gammastrålning från konstgödsel, Seltin, havssalt, stenar, osv.
En tunn metalltråd är uppspänd mellan två isolatorer. Tråden är några meter lång. På tråden ligger en högspänning på 5-10 kV, med minus på tråden. Uppställningen står i minst en halv timme i oventilerat rum. Stäng av spänningen, jorda tråden. Torka av den noga, runt om och längs hela, med ett hopvikt filtrerpapper.
Eller använd Alega's suglåda. Anslut den på en dammsugare, läg filtrerpapper på öppningarna, och låt dammsugaren gå i en halv timme. Under tiden kan man mäta ett bakgrundsspektrum. Gör det genom att ge kommandot TID 300 9 - då samlas det data i 5 minuter (300 sekunder) i spektrum #9.
För att mäta aktiviteten som funktion av tid har Autodas en MCS-mod
(multi-channel scaling). Gör det högst upp i den svarta lådans minne
genom att ge kommandot SPE 10. Starta MCS-mod med kommandot MSTA.
Man kan ge kanalgränser 0 till 1000 om man vill ha med alla counts. Välj en tid
på 10 eller 30 sekunder per kanal (10 sekunder ger en maximal tid på nästan
tre timmar).
Lägg pappret med radondöttrarna så snabbt som möjligt efter insamlingen på scintillatordetektorn. Mät radioaktiviteten i en serie av åtta spektra med
mätintervall på 5 minuter med kommandot SER 8 300.
Lagra sedan spektra med LAGSER namn.
Analysera. Subtrahera bakgrunden i spektrum 9 från mätserien med kommandot
SUBSER 9. Mät topparnas areor och plotta dem som funktion av tid på
logaritmisk skala. Försök bestämma halveringstiderna. Vilka nuklider ser du?
Kemiskt isolerade grundämnen kan ha komplicerade spektrum. De innehåller fortfarande olika isotoper, och den mest sällsynta isotopen kan ha högst aktivitet (t ex U-234). Dessutom finns det gammastrålning från sönderfallsprodukter. Försök ge beteckningar åt de synliga topparna, och redogör för dina resonemang. Det finns provar av radium (i en klocka), torium i en gasstrumpa och uran (i vaselinglas eller som uranylnitrat).
Spektra från uranmalm osv innehåller ännu fler toppar, eftersom alla uranisotoper är i jämnvikt med sina hela sönderfallsserier.
Man kan titta på alunskiffer mm (blåbetong, rödfyr?). Försök identifiera de starkaste gammatopparna.
Man använder europiumpreparat med känd aktivitet. Följ instruktionerna i manualen.
Med en effektivitetskalibrering blir det möjligt att bestämma aktiviteten av okända prov: älgkött, ren och svamp (Tjernobyl), vatten, radonfilter, aska, stenar, blåbetong.