8 Röntgenfluorescens. 8.1 Laborationens syfte. 8.2 Materiel. 8.3 Teori Comptonspridning

Transkript

1 8 Röntgenfluorescens 8.1 Laborationens syfte Att undersöka röntgenfluorescens i olika material samt använda röntgenfluorescens för att identifiera grundämnen som ingår i okända material. 8. Materiel NaI-detektor med tillbehör, dator, spridare av 3-4 olika ämnen med atomnummer mellan 35 och 69, blybleck (sammanlagd tjocklek - 5 mm), kalibreringspreparat innehållande 137 Cs och 41 Am. 8.3 Teori Comptonspridning Den comptonspridda strålningens energi ges av formeln i figur 1. E ut = 1 + mc ( 1 - cos Φ ) Spritt gammakvantum med energin E ut Φ Infallande gammakvantum med energin Rekylerande elektron Figur 1. Beräkna med hjälp av formeln i figur 1 energin för den comptonspridda strålningen om spridningsvinkeln är 90 och den mot spridaren infallande strålningen har energin 60 kev (= energin för gammastrålningen från 41 Am). = 60 kev E ut =... kev 37

2 8.3. Röntgenfluorescens Används spridare av tyngre ämnen såsom t ex silver och tenn kommer spektrumen att innehålla ytterligare struktur utöver den comptonspridda fördelningen. För att förklara ett sådant spektrums utseende måste man titta på de processer som sker i spridarens inre elektronskal. Den primära gammastrålningen frigör genom fotoelektrisk effekt en av K-skalets elektroner. Elektroner från längre ut belägna skal fyller snabbt ut tomrummet samtidigt som energi-skillnaden i elektronernas bindningsenergi frigörs genom emission av karakteristisk röntgenstrålning, så kallad Kα-strålning. Den beskrivna processen liknar fluorescens och kallas för ofta för röntgenfluorescens. Beroende på valet av spridarmaterial i denna laboration utgörs den iakttagna röntgenstrålningen enbart av Kα-strålning. Även elektroner ur L-skalet kan slås ut och L-röntgen utsänds när tomrummet fylls. Denna strålning har mycket lägre energi som kan vara svår att mäta med denna utrustning. En röntgenspektrometer är i så fall bättre lämpad. Engelsmannen Moseley påvisade att frekvensen f för Kα-strålningen från olika grundämnen kunde sammanfattas under formeln: f = cr(z-1) 1 1 ( - 1 ) (1) c är ljushastigheten R är Rydbergkonstanten Z är kärnladdningstalet, dvs atomnumret Formel (1) liknar den som Bohr härledde för väteatomens Lymanserie, se formel (). Skillnaden är att Z ersatts av Z-1. Detta förklaras av att den kvarvarande elektronen i K-skalet avskärmar kärnans laddning Ze med en elektronladdning -e. Formel 1 kan skrivas: ( f = cr 1 1 m - ) Z () n m = 1 för K-skalet (Kα-strålningen) n = för L-skalet E = hf = 3 4 hcr(z-1) (3) h är Plancks konstant och E är energin för Kα-strålningen. Formel (3) medför att det finns ett linjärt samband mellan kvadratroten ur energin (= E) för Kα-strålningen och atomnumret Z. 38

3 Ur formel (3) inses också att man med hjälp av Kα-strålningen n från ett okänt ämne kan bestämma atomnumret och med identifiera ämnet. I laborationen används olika ämnen som spridare. Beräkna med kännedom om deras atomnummer och formel (3) den förväntade energin för Kα-strålningen. För in dessa uppgifter i tabellen nedan. Ämne Atomnummer (Z) E (MeV) 8.4 Utförande Inställning av högspänningen 41 Am-preparatet används för att ställa in lämplig förstärkning hos detektorn så att man lättare kan studera låg-energetiska kammakvanta. Förstärkningen ändras med hjälp av högspänningen till fotomultiplikatorn. Ändringen görs så att fototoppen för 59,54 kev-linjen ligger ungefär i kanal nummer 440 (gäller 104 k ADC) Energikalibrering Med rätt inställning av högspänningen påbörjas datainsamlingen från 41 Am-preparatet. Mättid cirka 1 minut. Byt 41 Am-preparatet 137 Cs preparatet och fortsätt datainsamlingen ytterligare cirka 1 minut. I spektret syns nu en topp från den karakteristiska röntgenstrålningen från 137 Cs:s dotterkärna 137 Ba, med energin 3,19 kev. Använd den som en andra kalibreringstopp. Efter avslutad kalibrering lagras kalibreringsspektret. 39

4 Uppgift 1: Röntgenfluorescens Tack vare att gammastrålningen från 41 Am-preparatet har låg energi räcker det med cirka mm bly för att i det närmaste fullständigt avskärma strålningen. Genom att delvis skärma av detektoröppningen med blybleck förhindras direkt instrålning från preparatet, se figur. Experimentuppställningen är horisontell och 41 Am-preparatet mon-teras vinkelrätt mot detektorn så att ingen direkt instrålning i detektorn kan ske. Spridaren monteras så att den bildar en liten vinkel med detektoröppningen, se figur. NaI-kristall Bly Spridare 41 Am Blykollimator Figur. För varje spridare tas nu upp ett spektrum. Tag också upp ett bakgrundspektrum, dvs ett spektrum utan spridare. Mättid cirka 10 minuter för varje spektrum. Bakgrundsspektret subtraheras från varje spektrum med spridare. Använd den tidigare gjorda energikalibreringen för att energibestämma topparna i spektrumen. Med ledning av den i teoriavsnittet beräknade energin för den comptonspridda strålningen kan man peka ut den ena av topparna som resultat av comptonspridningen. Den andra toppen emot härrör från Kα-strålningen. De uppmätta värdena förs in i tabellen på nästa sida. 40

5 Ämne K α - energi E (MeV) Atomnummer E (Z) (Z-1) Rita efter en graf med kvadratroten ur Kα-energin som funktion av atomnumret. Slutsats:... Uppgift : Analys av ett okänt ämne Ta spridaren vars ämne är okänt och samla ett spektrum under 10 minuter. Bestäm energin för dess Kα-strålning. Använd sedan diagrammet för att bestämma atomnumret och med identifiera det okända ämnet. Resultat: Ka-energin:... Z:... Ämnet är:... Vilka tänkbara felkällor finns i detta försök?