Natürliche Radioaktivität umfasst ja die Emission von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Mittels der sog. Spektroskopie wird nun die Energie der Strahlung bestimmt. Daraus lässt sich dann die gemessene radioaktive Strahlung einem Element zuordnen. Für Betastrahlen (https://stoppi-homemade-physics.de/betaspektroskopie/) und Gammastrahlen (https://stoppi-homemade-physics.de/gammaspektroskopie/) habe ich bereits erfolgreich Spektroskopie betreiben können. Nun fehlen noch die Alphastrahlen.

Der Detektor für die Erfassung der Alphastrahlen ist sehr einfach. Herzstück ist die Photodiode vom Typ BPX61. Diese erhält man etwa bei conrad um rund 13 Euro (Bezugsquelle-conrad).

Alphastrahlen bestehen ja aus Heliumkernen und gelangen selbst in Luft nur wenige Zentimeter weit. Die Photodiode BPX61 besitzt zum Schutz der lichtsensiblen Fläche ein Glasfenster. Dieses würde die Alphastrahlen komplett blockieren. Daher muss es vorsichtig entfernt werden, ohne den Lichtsensor zu beschädigen.

Die Photodiode im Originalzustand:

Die Photodiode mit entferntem Schutzglas:

Die Photodiode muss man natürlich für die Alphaspektroskopie vor Licht schützen, da sie logischerweise sonst auch auf dieses stark reagieren würde. Deshalb verbaue ich die gesamte Schaltung in einer kleinen Blechdose. Dies sorgt neben der Lichtdichtheit noch für eine gute Abschirmung von Störungen. Die unten abgebildete Dose besitzt die Abmessungen 11 x 11 x 4.5 cm und passt somit ideal für meine Anforderungen.

Hier die komplette Elektronik mit der Photodiode links oben:

So, der Aufbau ist soweit fertig und ein erster Test verlief auch vielversprechend. Erhalte ohne Alphastrahler wie erwartet keine Signale am Ausgang. Mit Alphastrahler geht es dann aber ziemlich rund. Die Pulse besitzen ca. eine Höhe von 1 V und eine Breite von etwa 240 µs.

Als nächtes werde ich die Pulse über eine USB-soundcard einlesen und mit der MCA-Software Theremino ein Spektrum von Am-241 und Po-210 aufnehmen. Bin schon gespannt, ob man die geringe Energieverschiebung im Spektrum sehen kann. Deren Alphaenergien betragen ja 5.486 MeV (Am-241) bzw. 5.307 MeV (Po-210).

Heute konnte ich die ersten Spektren von Americium-241 aufnehmen, wobei ich bei einer Messserie einmal eine kleine Blende bzw. keine verwendete. Man erkennt sehr gut die mit zunehmenden Abstand d abnehmenden Zählraten, aber auch die Verschiebung in Richtung kleinerer Energie.

Mittels der Alphaspektren lässt sich auch die Energie E(x) in Abhängigkeit vom Abstand x einigermaßen bestimmen. Man muss aber beachten, dass ich die Abstände d von der radioaktiven Probe bis zum Gehäuseanfang gemessen habe. Der Sensor der BPX61 liegt ja etwas innerhalb des Gehäuses. Also sind die tatsächlichen Abstände rund 2 mm größer als das angegebene d!

Die erhaltenen Spektren besitzen ein mehr oder weniger breites Maximum. Dies kommt sicherlich auch dadurch zustande, dass es bei einer nicht punktförmigen Quelle und einem ausgedehnten Sensor eben nicht nur einen Abstand d gibt sondern mehrere.

Hier nun die erhaltenen Spektren von Am-241 in Abhängigkeit vom Abstand d:

Überraschenderweise erkennt man auch den Gamma-peak von Am-241 bei 59 keV (ganz links in der oberen Abbildung!). Das hätte ich so nicht erwartet, da ja die Dicke des Sensors eigentlich sehr gering ist und die Gammaquanten daher wohl nicht ihre gesamte Energie innerhalb des Sensors abgeben. Mal schauen, ob der Gamma-peak vom Americium auch beim Polonium auftaucht.

Hier ein typischer mit Theremino aufgenommer Puls:

Die erhaltenen Alphaspektren für unterschiedliche Abstände d:

Mittels dieser 5 Graphen lässt sich sogar die Funktion E(x), also die Energie der Alphateilchen in Abhängigkeit vom Abstand x zur Quelle modellieren:

Morgen ist dann das Polonium-210 an der Reihe mit der Hoffnung, eine gegenüber dem Am-241 leichte Verschiebung nach links in Richtung kleinerer Energie beobachten zu können.

So, die Messungen mit Po-210 sind im Kasten. Damit die Zählraten nicht zu groß werden, musste ich sowohl die Quelle als auch die Photodiode stark abblenden. Selbst so erhielt ich bei geringen Distanzen Zählraten um die 600 Pulse/sek. Die Quelle befindet sich geschützt in einer Aussparung, sodass die Photodiode keinerlei Kontakt zu ihr hat! Deshalb beträgt die minimale Distanz auch nur 10 mm.

Hier ein Spektrum von Po-210 bzw. der Vergleich mit Am-241 bei unterschiedlichen Distanzen. Man erkennt aber immer sehr gut die Verschiebung des Polonium-peaks in Richtung kleinerer Energie. Der Unterschied zum Americium müsste immer im Bereich zwischen 200-400 keV betragen. Ich bin mit den Ergebnissen mehr als zufrieden.

Zum Abschluss noch die Kurve E(x), welche aus den obigen Spektren gewonnen wurde. Man sieht schön, dass sich die Kurve von Polonium unterhalb jener von Americium befindet, sprich die Energie von Polonium immer niedriger ist als von Americium. Die um 2 mm erhöhten Abstände x kommen dadurch zustande, dass sich der Sensor der Photodiode 2 mm innerhalb des Gehäuses befindet und die Abstände d immer nur bis zum Gehäuse gemessen wurden!

Jetzt fehlt eigentlich nur noch das Spektum von Radium…

Wie versprochen habe ich noch das Spektrum meiner Radium-Uhrzeiger aufgenommen. Da die zu großen Pulse abgeschnitten schienen, habe ich den Pegel des Mikrofons auf nur 25% eingestellt. Beim Americium und Polonium waren es noch die vollen 100%. Nach dieser Anpassung konnte ich auch Energien > 6 MeV darstellen. Ich war positiv überrascht, als ich mehrere Peaks im Radium-Spektrum entstehen sah. Ein Vergleich mit einem Referenzspektrum aus dem Internet verlief zufriedenstellend, da auch in diesem 4 Peaks zu sehen waren.

Hier erkennt man schön die oben abgeschnittenen Pulse:

Daher Reduzierung des Pegels auf 25%:

Man erkennt sehr schön zumindest 4 Peaks. Die Linearität ist nicht perfekt, da sich der erste Peak bei 4784 keV befinden müsste.

Quelle: https://www.ld-didactic.de/software/524221de/Content/Appendix/Ra226.htm