Bei der Betaspektroskopie (https://stoppi-homemade-physics.de/betaspektroskopie/) wurde von mir versucht, die Energieverteilung von Betastrahlen zu ermitteln. Die Gammaspektroskopie hat im Prinzip dasselbe Ziel, nur geht es hier um die Energiebestimmung von Gammastrahlen.
Wie bestimmt man nun deren Energie? Man benötigt für die Gammaspektroskopie zunächst einen Photomultiplier. Dieser ist in der Lage, auch schwächsten Licht bis hin zu einzelnen Photonen zu registrieren. Aufgebaut ist er wie eine Elektronenröhre mit einem Eintrittsfenster für Licht. Dieses Licht löst nach mittels Photoeffekt Elektronen aus der sog. Photokathode aus. Diese werden sodann mittels Hochspannung beschleunigt und schlagen aus den sog. Dynoden immer mehr Elektronen heraus. Ähnlich wie bei einer Lawine kommen dann schlussendlich bei der Anode sehr viele Elektronen an, welche über einen Lastwiderstand einen kurzen Spannungspuls erzeugen.
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier#/media/Datei:Photomultiplier_schema_de.png
Die Höhe dieses Spannungspulses ist nun proportional zur Lichtintensität, welche in den Photomultiplier dringt. Was haben aber Gammastrahlen mit sichtbaren Licht zu tun?
Der verwendete NaI-Szintillator. Dieser kann relativ günstig (um die 45 Euro) über ebay aus Russland bezogen werden:
Nun, dringen Gammastrahlen in einen sogenannten Szintillator, so setzen sie mittels Photoeffekt Elektronen frei oder stoßen diese mehr oder weniger an. Beim Photoeffekt überträgt das Gammaquant seine komplette Energie h·f an das nun freie Elektron. Beim sog. Comptoneffekt (https://de.wikipedia.org/wiki/Compton-Effekt) wird an das Elektron durch den Stoß nur eine kleinere Energie < h·f übertragen. Die Größe der vom Gammaquant ans Elektron übertragenen Energie hängt davon ab, wie stark das Photon gestreut wird. Wird es nur schwach abgelenkt, so ist die ans Elektron übertragene Energie gering. Wird das Photon aber um 180° nach hinten gestreut, so ist die ans Elektron übertragene Energie maximal, aber immer noch kleiner als h·f.
Erst diese Elektronen sind nun im Szintillator in der Lage, Lichtblitze zu erzeugen. Die Gammaquanten selbst könnten dies nicht. Je höher nun die Energie der Elektronen, desto mehr Lichtblitze erzeugen sie. Und eine höhere Lichtintensität erzeugt ja einen höheren Spannungspuls am Ausgang des Photomultipliers. Auf diese Weise besteht nun ein Zusammenhang zwischen der Energie der Gammastrahlen und der Höhe des Ausgangspulses des Photomultipliers.
Bestimmt man nun mit einem sog. Multi-channel-analyzer (kurz MCA) jeweils die Höhe der vom Photomultiplier kommenden Spannungspulse und ordnet diese nach ihrer Größe, so erhält man ein sog. Gammaspektrum. Durch den Photoeffekt wird dem Elektron vom Gammaquant ja seine komplette Energie übertragen. Demnach müssten im Szintillator viele freie Elektronen gleicher Energie entstehen, demnach viele Lichtblitze mit gleich großer Intensität erzeugt werden und demnach viele Pulse am Ausgang des Photomultipliers mit gleicher Höhe registriert werden. Im Gammaspektrum müsste daher ein markanter Peak entstehen, der sog. Photopeak. Die Lage dieses peaks ist von der Energie der Gammaquanten abhängig. Aus der Lage des Photopeaks kann somit die Energie der Gammastrahlen bestimmt und damit der Gammastrahler identifiziert werden.
Cäsium-137 ist zwar ein Betastrahler, aber es zerfällt in den Gammastrahler Barium-137. Dessen Gammastrahlen besitzen die (immer gleiche) Energie von 662 keV. Demnach müsste bei Cäsium-137 im Gammaspektrum bei 662 keV ein deutlicher peak auftreten. Natürlich muss man ein Gammaspektrum zu Beginn mit einem bekannten Gammastrahler eichen, damit man den konkreten Zusammenhang zwischen Pulshöhe des Photomultipliers und Energie des Gammaquants kennt.
Bringt man sodann einen anderen Gammastrahler in die Nähe des Gammaspektroskops, etwa Cobald-60, so wird man im Gammaspektrum nun 2 peaks bei 1.17 MeV und 1.33 MeV erkennen. Damit wäre Cobalt-60 eindeutig identifizierbar.
Jetzt habe ich oben geschrieben, dass infolge des sog. Comptoneffekts auch geringere Energien vom Gammaquant an ein Elektron übertragen werden können. Diese geringeren Energien reichen von 0 bis zu einem gewissen Maximalwert, der aber kleiner als die volle Energie des Gammaquants ist. Daher erscheint im Gammaspektrum nicht nur der Photopeak, sondern auch ein Kontinuum von E = 0 eben bis zu diessem Maximalwert < Photopeak. Am Ort dieses Maximalwerts ist dann die sog. Compton-Kante zu erkennen. Und erst bei noch höherer Energie liegt dann der Photopeak!
Als Multi-channel-analyzer bietet sich etwa die kostenlose Software Theremino (http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_MCA_V7.2.zip) an. Hierfür muss man die vom Photomultiplier kommenden und verstärkten Spannungspulse über eine günstige USB-soundcard an den PC weiterleiten.
Anschlussschema für die einfache Gammaspektroskopie mittels der Software Theremino:
Das variable Hochspannungsnetzteil für den Photomultiplier (-800 bis – 1400 V):
Die einfache Verstärkerschaltung zur Verstärkung der vom Photomultiplier kommenden, kleinen Spannungspulse. Der Ausgang des Verstärkers wird direkt mit der USB-soundcard verbunden:
Mit Theremino aufgenommenes Gammaspektrum von Cäsium-137:
