Was ist Gammaspektroskopie – Definition

Gammaspektroskopie ist die Untersuchung der Energiespektren von Gammastrahlenquellen, beispielsweise in der Nuklearindustrie und bei geochemischen Untersuchungen. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide. Strahlendosimetrie

Im Allgemeinen ist die Spektroskopie die Wissenschaft der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlungsenergie, während die Spektrometrie die Methode ist, mit der eine quantitative Messung des Spektrums durchgeführt wird. Spektroskopie (Scopy bedeutet Beobachtung ) liefert keine Ergebnisse. Es ist der theoretische Ansatz der Wissenschaft. Spektrometrie (Metrie bedeutet Messung ) ist die praktische Anwendung, bei der die Ergebnisse generiert werden. Es ist die Messung der Intensität der Strahlung mit einem elektronischen Gerät. Oft werden diese Begriffe synonym verwendet, aber jede Spektrometrie ist keine Spektroskopie (z. B. Massenspektrometrie vs.Massenspektroskopie).

Gammaspektroskopie

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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 beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. 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.

Röntgenspektroskopie

Röntgenspektroskopie ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene spektroskopische Techniken zur Charakterisierung von Materialien unter Verwendung von Röntgenanregung. Wenn ein Elektron aus der inneren Hülle eines Atoms durch die Energie eines Photons angeregt wird, bewegt es sich auf ein höheres Energieniveau. Da der Prozess eine Lücke  in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt,  aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach  unten  , um die unteren Atomniveaus und eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen aufzufüllen  werden normalerweise ausgestrahlt. Infolgedessen treten im Spektrum scharfe Intensitätsspitzen bei Wellenlängen auf, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden. Die Analyse des Röntgenemissionsspektrums liefert qualitative Ergebnisse über die Elementzusammensetzung der Probe.

Gammastrahlenspektrometer – Gammastrahlenspektroskop

Das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke wird wie geschrieben als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV sind zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung, anorganische Szintillatoren wie NaI (T1) und Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Photovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Photovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Aufgrund der hohen Ordnungszahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

HPGe Detektor - Germanium
HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

Wenn jedoch eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie für die Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

Gammaspektrumstruktur – Das Cobalt-60-Spektrum

Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen zu analysierenden echten Impulsen und begleitenden Impulsen aus verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir werden die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60 zeigen, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und mit dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht die Trennung vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von radioaktiven Quellen mit mehreren Gammasendungen sehr vorteilhaft ist.

Kobalt-60-Zerfallsschema

Kobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Kobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Kobalt-60 ist eine in vielen Labors übliche Kalibrierungsquelle. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlen-Photopeaks . 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 Summenspitzen mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks auftreten.

HPGe-Detektorspektrum
Abbildung: Bildunterschrift: Vergleich der NaI (Tl) – und HPGe-Spektren für Cobalt-60. Quelle: Radioisotope und Strahlenmethodik I, II. Soo Hyun Byun, Vorlesungsskript. McMaster University, Kanada.

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-Streuung. Bei der Compton-Streuung 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-Streuung 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-Streuung im Szintillator oder Detektor ergibt. Dieses Merkmal ist auf Photonen zurückzuführen, die eine Compton-Streuung 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 :

  • Compton-Kante von 60Co auf dem Gammaspektrometer Na (Tl).
    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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