Im Allgemeinen ist die Gammaspektroskopie die Untersuchung der Energiespektren von Gammastrahlenquellen, beispielsweise in der Nuklearindustrie, bei geochemischen Untersuchungen und in der Astrophysik. Spektroskope oder Spektrometer sind hochentwickelte Geräte, mit denen die spektrale Leistungsverteilung einer Quelle gemessen werden kann. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
Die meisten radioaktiven Quellen erzeugen Gammastrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität. Gammastrahlen begleiten häufig die Emission von Alpha- und Betastrahlen . Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem erfasst und analysiert werden, kann ein Gammastrahlen-Energiespektrum erzeugt werden. Gammastrahlen vom radioaktiven Zerfallliegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen erzeugt, wenn sie von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen. Eine detaillierte Analyse dieses Spektrums wird typischerweise verwendet, um die Identität und Menge der in einer Probe vorhandenen Gammastrahler zu bestimmen , und ist ein wichtiges Instrument im radiometrischen Assay. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide.
Gammastrahlenspektrometer – Gammastrahlenspektroskop
Das Gammaspektroskop besteht aus einem geeigneten Szintillatorkristall , einer Photovervielfacherröhre und einer Schaltung zur Messung der Höhe der vom Photovervielfacher erzeugten Impulse. Die Vorteile eines Szintillationszählers liegen in seiner Effizienz und den möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Diese letzteren Eigenschaften sind eine Folge der extrem kurzen Dauer der Lichtblitze von etwa 10 & supmin ; & sup9 ; ( organische Szintillatoren ) bis 10 & supmin ; & sup6 ; ( anorganische Szintillatoren)) Sekunden. Die Intensität der Blitze und die Amplitude des Ausgangsspannungsimpulses sind proportional zur Energie der Strahlung. Die Impulse werden gezählt und nach ihrer Höhe sortiert. Dabei wird ein xy-Diagramm der Helligkeit des Szintillatorblitzes im Verhältnis zur Anzahl der Blitze erstellt, das dem Energiespektrum der einfallenden Strahlung mit einigen zusätzlichen Artefakten angenähert ist. Ein monoenergetischer Gammastrahl erzeugt einen Photopeak bei seiner Energie. Der Szintillationsdetektorzeigt auch eine Reaktion bei den niedrigeren Energien, die durch Compton-Effekt verursacht wird, zwei kleinere Fluchtpeaks bei Energien von 0,511 und 1,022 MeV unter dem Photopeak für die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren, wenn eines oder beide Vernichtungsphotonen entweichen, und einen Rückstreupeak. Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.
Die Spektrometer auf Szintillationsbasis haben den Vorteil, dass sie in großer Größe und hoher Dichte verfügbar sind, was zu hohen Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten für Gammastrahlen führen kann. Andererseits sind ihre Szintillatoren mit Energieauflösung im Vergleich zu hochreinen Germaniumdetektoren schlecht. Germaniumdetektoren sind die bessere Wahl für die Trennung eng beieinander liegender Gamma-Energien. Die typische Energieauflösung eines guten Germaniumsystems beträgt einige Zehntel Prozent, verglichen mit 5-10% für Natriumiodid.
Gammaspektrumstruktur – Das Cobalt-60-Spektrum
Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen echten zu analysierenden Impulsen und begleitenden Impulsen von verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir zeigen die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht das Trennen vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von Multi-Gamma-emittierenden radioaktiven Quellen von großem Vorteil ist.
Cobalt-60 ist ein künstliches radioaktives Cobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Cobalt-60 ist eine häufige Kalibrierungsquelle, die in vielen Labors zu finden ist. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen anderen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt voneinander getrennt.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlenphotopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.
Die allgemeine Struktur des Gammastrahlenspektrums weist normalerweise die folgenden Hauptmerkmale auf :
- Photopeaks sind Peaks voller Energie, die erzeugt werden, wenn γ-Strahlen ihre volle Energie (hω-E- Bindung ) in das empfindliche Material (Szintillationskristall oder Germaniumkristall) übertragen. Dann sollte eine einzelne Delta-Funktion im Spektrum beobachtet werden. Das Cobalt-60-Spektrum enthält zwei Photopeaks, einen bei 1173,2 keV und einen bei 1332,5 keV.
- Compton Continuum . Im Kristall unterliegt ein Gammastrahl einer Reihe von Wechselwirkungen, bei Zwischenenergien dominiert jedoch die Compton-Effekt. Bei der Compton-Effekt wird das einfallende Gammastrahlenphoton um einen Winkel Θ in Bezug auf seine ursprüngliche Richtung abgelenkt. Das Photon überträgt einen Teil seiner Energie auf das Rückstoßelektron. Die auf das Rückstoßelektron übertragene Energie kann von Null bis zu einem großen Bruchteil (Maximum E) der einfallenden Gammastrahlenenergie variieren, da alle Streuwinkel möglich sind. Die Größe des Szintillationskristalls verändert das Verhältnis zwischen Photopeak und Compton-Kontinuum. Für einen unendlich großen sphärischen Detektor, der um eine Quelle zentriert ist, könnten keine Photonen entweichen und nur ein Photopeak wäre im Spektrum zu sehen. Bei sehr kleinen Detektoren ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon nach der Compton-Effekt austritt, hoch und das Compton-Kontinuum wäre im Vergleich zum Photopeak groß.
- Compton Edge . Die Compton-Kante ist ein Merkmal des Spektrographen, das sich aus der Compton-Effekt im Szintillator oder Detektor ergibt. Dieses Merkmal ist auf Photonen zurückzuführen, die eine Compton-Effekt mit einem Streuwinkel von 180 ° erfahren und dann aus dem Detektor entweichen. Wenn ein Gammastrahl vom Detektor streut und entweicht, kann nur ein Bruchteil seiner Anfangsenergie in der empfindlichen Schicht des Detektors abgelagert werden. Es hängt vom Streuwinkel des Photons ab, wie viel Energie im Detektor abgeschieden wird. Dies führt zu einem Spektrum von Energien. Die Compton-Kantenenergie entspricht einem vollständig rückgestreuten Photon . Die Zählungen zwischen der Compton-Kante und den Photopeaks werden durch mehrere Compton-Streuereignisse verursacht, bei denen gestreutes Gammaphoton aus dem empfindlichen Material austritt.
Manchmal weist die Struktur des Gammastrahlenspektrums die folgenden sekundären Merkmale auf :
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Compton-Kante von 60Co auf dem Gammaspektrometer Na (Tl). Backscatter Peak . Ein Compton-Rückstreupeak wird gefunden, wenn γ-Strahlen um den Detektor herum in das Material eintreten und zurück in den Detektor gestreut werden. Gammaphotonen können durch den Compton-Mechanismus in Abschirmungen oder umgebenden Materialien interagieren und werden aus einem Material in ein empfindliches Volumen zurückgestreut. Die maximale Photonenenergie bei dieser Wechselwirkung beträgt ~ 200 keV, unabhängig von der anfänglichen Photonenenergie. Dies führt zu einem sekundären Peak bei -200 keV.
- Röntgenpeaks . Wenn die Gammastrahlen in umgebenden Materialien (z. B. Bleiabschirmung) einen photoelektrischen Effekt erfahren, kann die ausgehende Röntgenstrahlung vom Detektor wieder erfasst werden. Dies ergibt einen charakteristischen Röntgenpeak mit einer Energie, die von dem Material abhängt, aus dem er stammt. Bei Blei liegen die charakteristischen Röntgenenergien im Bereich von 72-84 keV. Photoelektrische Absorption durch K-Schalen-Elektronen in Abschirmung, was zu einer K-Schalen-Leerstelle führt. Der K -> L-Übergang für Blei = 72 keV. Wenn diese charakteristische Röntgenstrahlung im Kristall absorbiert wird, wird ein sekundärer Peak bei 72 keV beobachtet.
- Zufallsspitze . Gleichzeitige Absorption von zwei Gammaphotonen im Kristall, was zu einem Peak mit höherer Energie als der Photopeak führt. Die Gammaphotonen können aus seriellen isomeren Übergängen (z. B. 2 keV plus 1332,5 keV bei Cobalt-60) oder gleichzeitigen Zerfällen in getrennten Radionukliden (z. B. 2 x 1173,2 keV bei Cobalt-60) resultieren.
- Vernichtungsgipfel . Für hochenergetische Gammastrahlen (größer als 1,02 MeV) ist die Erzeugung von Elektronen-Positronen-Paaren eine mögliche Wechselwirkung. Ein Positron kann sich dann jedoch im Detektor oder im umgebenden Material vernichten. Wenn beide Vernichtungsphotonen mit 0,51 MeV im Kristall absorbiert werden, kann ein sekundärer Peak von 1,02 MeV unterhalb des Photopeaks gefunden werden. Wenn ein Vernichtungsphoton absorbiert wird und das zweite den Kristall verlässt, werden 0,51 MeV aus dem Photopeak entfernt, was zu einem sekundären Peak von 0,51 MeV unter dem Photopeak führt. Die Wahrscheinlichkeit ist größer, dass ein Vernichtungsphoton absorbiert wird.
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