-
Roger Wolf authoredRoger Wolf authored
Hinweise für den Versuch Gammaspektroskopie
Gammaspektroskopie [4/4]
Eigenschaften des Gammaspektrums
Die schematische Darstellung eines zu erwartenden mit einem Photondetektor aufgezeichneten Spektrums für einen Strahl mono-energetischer Photonen mit der Energie E_{\gamma} ist in Abbildung 7 gezeigt:
Abbildung 7: (Schematische Darstellung eines zu erwartenden mit einem Photondetektor aufgezeichneten Spektrums für einen Strahl mono-energetischer Photonen der Energie E_{\gamma}, nach H. Kolanoski, N. Wermes Teilchendetektoren (DOI 10.1007/978-3-45350-6).)
Es handelt sich dabei um ein Histogramm. Auf der x-Achse sind die Kanäle des MCA aufgetragen, auf der y-Achse die Häufigkeit, mit der ein Eintrag im entsprechenden Kanal aufgezeichnet wurde. Jeder Eintrag im Histogramm entspricht einer einzelnen Messung, ein Spektrum besteht also immer aus einer Vielzahl von Messungen.
In der Abbildung sind die folgenden grundlegenden Eigenschaften eines Gammaspektrums klar zu erkennen:
-
Der Photopeak bei E_{\gamma} resultiert aus der vollständigen Absorption der nachgewiesenen Photonen. Wir erwarten eine Normalverteilung deren Erwartungswert \mu_{Q} wir E_{\gamma} zuordnen können.
-
Einträge rechts des Photopeaks sind auf Energie-Depositionen mehrerer zeitgleich nachgewiesener Photonen (pile-up) zurückzuführen.
-
Das Compton-Kontinuum resultiert aus Ereignissen bei denen \gamma ein Elektron aus dem Detektormaterial ausgelöst und dann den Detektor wieder verlassen hat. Die Compton-Kante entspricht dabei der Rückstreuung um \theta=180^{\circ}. Die Compton-Kante ist für das Spektrum ebenso charakteristisch, wie der Photopeak. Sie befindet sich im Spektrum an der Position Q(E^{\prime\,\mathrm{max}}_{\mathrm{e}}), die nur von E_{\gamma} und m_{\mathrm{e}} abhängt.
-
Einträge zwischen der Compton-Kante und dem Photopeak können durch mehrfache Compton-Streuung erklärt werden, nach der das gestreute Photon \gamma' den Detektor schließlich verlässt. Würde \gamma' den Detektor nicht verlassen würde die Messung zum Photopeak beitragen.
-
Ein weiteres charakteristisches Merkmal des gezeigten Spektrums ist ein Peak, der durch Compton-Rückstreuung entsteht. Dabei vollzieht \gamma Compton-Streuung unter 180^{\circ}, z.B. in einer den Detektor umgebenden Abschirmung. Das gestreute Photon \gamma' wird daraufhin im Detektor aufgefangen und nachgewiesen, wo es die gesamte Energie E'_{\gamma}(\theta=180^{\circ}) in einem Photopeak deponiert.
In der Abbildung nicht gezeigt können für Photonen mit E_{\gamma}\gtrsim10\,\mathrm{MeV}, für die auch Paarbildung auftreten kann, noch zwei weitere charakteristische Peaks im Spektrum auftreten. Dabei wird das Positron aus der Paarbildung im Detektormaterial abgebremst und zerstahlt schließlich in zwei antiparallel auslaufende Photonen gleicher Energie E'_{\gamma}=m_{\mathrm{e}}c^{2}. Beim Auftreten des Single-Escape Peaks entkommt eines dieser Photonen der Detektion; der Peak befindet sich an der Stelle
\begin{equation*}
Q(E_{\mathrm{S.E.}}) = Q(E_{\gamma}-m_{\mathrm{e}}c^{2}),
\end{equation*}
beim Double-Escape Peak entkommen beide Photonen der Detektion; der Peak befindet sich an der Stelle
\begin{equation*}
Q(E_{\mathrm{S.E.}}) = Q(E_{\gamma}-2\,m_{\mathrm{e}}c^{2}).
\end{equation*}
Ihre erste Aufgabe bei diesem Versuch besteht darin, den Messaufbau mit \gamma-Stahlen bekannter Energie E_{\gamma} zu kalibrieren, so dass Sie jedem Kanal eine entsprechende Energie zuordnen können.