1. Mätning av gammaspektra

1. Mätning av gammaspektra 1.1 Laborationens syfte Att undersöka några egenskaper hos en NaI-detektor. Att bestämma energin för okänd gammastrålning. Att bestämma den isotop som ger upphov till gammastrålningen. 1.2 Materiel NaI-detektor med tillbehör, dator, 152 Eu-lösning, preparat av 137 Cs, rent KCl eller mineralsalt (ca 60 g) och strålkällor för gammaenergibestämning, som t ex ett gammalt armbandsur med självlysande siffror eller en glödstrumpa. 1.3 Teori Repetera genomgången av gammastrålningens växelverkan med materia, NaI-detektorns funktionssätt, hur data lagras i datorn och vilka styrkommandon som behövs för datainsamlingen och den efterföljande analysen. 1.4 Utförande 1.4.1 NaI-detektorns egenskaper a) Ta upp ett spektrum från ett 137 Cs-preparat som placeras ca 5 cm ovanför detektoröppningen för att räknehastigheten inte skall bli för hög. Notera avståndet mellan preparat och detektor. Mät i 3 minuter och gör en skiss av spektret. Spektret sparas. Lägg märke till att ett spektrum från gammastrålning med en enda energi utgörs av en topp ( fototopp eller fullenergitopp ) samt en fördelning på lågenergisidan (till vänster) om fototoppen. Flera fototoppar är tecken på att det ingår flera energier i den studerade strålningen. Se figur 1. 1

Antal pulser under 2 min 1200 Fototoppen Diskriminatorinställning 800 Comptonfördelning 400 200 400 600 800 Kanalnummer Figur 1. Lågenergifördelningen till vänster om fototoppen i figur 1 härrör från gammakvanta som kolliderat med elektroner i detektorkristallen eller i blyskärmningen. Kollisionen sker på ett sådant sätt att endast en del av det ursprungliga gammakvantumets energi absorberas (tas upp) i detektorn. Kollisionen kallas för comptonspridning efter A H Compton, en amerikansk fysiker som först studerade processen. Den resulterande lågenergifördelningen kallas comptonfördelning. Comptonfördelningen bildar alltid ett slags bakgrund som ligger till vänster om den fototopp som hör ihop med comptonfördelningen. Lägg märke till i figur 1 att man alltid har en diskriminatorinställning som gallrar bort de mest lågenergetiska gammakvanta och elektroniskt brus. Diskriminatorinställningen kan man själv justera med ratten på förstärkarlådan, men bör inte ändras under laborationens gång. Markera i din skiss av 137 Cs-spektret var fototoppen, diskriminatornivån och comptonfördelningen ligger. b) Ta upp ett spektrum från 152 Eu-lösningen, som placeras i öppningen ovanpå detektorn. Mättiden väljs till cirka 6 minuter. Spektret sparas för att senare användas i datorns energikalibreringsrutin. c) Ta upp ett spektrum från KCl- eller mineralsaltet. Mineralsaltet innehåller KCl och därmed 40 K som är en naturligt förekommande radioaktiv isotop. Mät i 15 minuter och gör därefter en skiss av spektret. Jämför med bakgrundsspektret. Spektret sparas. d) Ta upp ett bakgrundsspektrum, dvs ta upp ett spektrum utan preparat. Mättiden är cirka 20 minuter. Glöm inte att avlägsna alla strålkällor som ligger i närheten. Spara spektret. Jämför bakgrundsspektret med 40 K-spektret i c. e) Alla spektra som tagits upp i a - d kopieras till arbetsdisketten som tillhör respektive dator enligt tidigare givna instruktioner. 2

1.4.2 Energikalibrering av ett gammaspektrum För att kunna utföra någon av nedan beskrivna analysprocedurer måste man först starta analysprogrammet WinDAS vid respektive dator. En förklaring av programmets menyer kan fås på bildskärmen genom menyn Hjälp eller i kapitel 4 i användarhandboken för WinDAS. Innan man kan analysera ett spektrum måste spektret läsas in från sekundärminnet. Detta görs med hjälp av kommandot Arkiv Öppna. 1.4.2.1 Sambandet mellan kanalskalan (kanalnumret) och energin för strålningen Manuell metod Bestäm kanalläget för fototoppen i 137 Cs-spektret genom att använda centroidrutinen, som förbereds genom att först placera undre markörens kors vid vänstra foten av fototoppen och sedan den övre markörens kors vid den högra foten av samma topp. Detta görs enklast genom att använda vänstra och högra musknappen. Se figur 2. Därefter ges kommandot Beräkna Centroid som ger kanalläget för fototoppens tyngdpunkt. Nollställ spektret på skärmen (Arkiv Nolla) och läs in 40 K-spektret. Upprepa sedan samma förfarande för fototoppen i 40 K-spektret. Observera att man även får antalet pulser och antal pulser per sekund i fototoppen. Rita ett diagram över energierna för de båda fototopparna som funktion av motsvarande kanallägen, dvs energin längs den vertikala axeln och kanalnumret längs den horisontella axeln. Energin för gammakvanta från 40 K och 137 Cs är 1,46 MeV respektive 0,66 MeV. 3

Figur 2. Eftersom energin är en mycket nära linjär funktion av kanalläget har man nu fått en energikalibrering. Det vill säga varje kanalläge motsvaras av en bestämd energi. Dra en rät linje genom kalibreringspunkterna. Använd kalibreringen för att bestämma hur stort energiområde (= energifönster) ditt spektrum ger genom att avläsa vilka energier början (= kanal 0) och slutet (= kanal 1023) av spektret motsvarar. Lämpligt energifönster är i de flesta fall cirka 0,07-2,00 MeV. Energifönstret är:... 4

Kalibreringsrutinen i datorn Programmet WinDAS innehåller en kalibreringsrutin som förenklar energikalibreringen av spektra med okända gammaenergier. Man använder sig av ett spektrum med minst två fototoppar för vilka motsvarande gammaenergier är kända. 152 Eu-spektret innehåller flera fototoppar vars energier är kända. Se figur 3. För energikalibreringen kan man t ex välja de två topparna vars energi är 0,344 respektive 1,41 MeV. Börja med att läsa in 152 Eu-spektret. Antal gamma under 23 min 60000 0,122 40000 0,344 0,78 0,96 1,09 + 1,11 1,41 20000 0,245 Delförstoring 0,4 0,8 1,2 Energi (MeV) Figur 3. 152 Eu-spektrum. Varje kalibreringstopp tillordnas ett energivärde. Detta görs genom att först bestämma kanalläget för den första toppen (0,344 Mev) med kommandot Beräkna Centroid (se tidigare) och direkt därefter kommandot Kalibrera Energi. Upprepa samma förfarande för den andra fototoppen (1,41 MeV). Nu är spektret energikalibrerat, vilket märks på att x-axelns kanalskala ersätts av en energiskala. Spara spektret under samma eller nytt namn (Arkiv Spara som). Energikalibreringen följer i fortsättningen med spektret om det sparats efter en fullbordad kalibrering. Tycker man att någon centroidbestämning inte blivit bra kan den när som helst ändras genom att först ta bort kalibreringen med kommandot Kalibrering Ta bort och därefter upprepa kalibreingsproceduer enligt ovan. Energikalibreringen kan nu användas till att kalibrera tidigare upptagna spektra från 137 Cs-preparatet, KCl och bakgrunden. Läs in spektret som skall kalibreras och ge kommando Kalibrering Från fil. Bestäm sedan med hjälp av centroidrutinen energin för de fototoppar du ser i spektrumen. Detta görs som tidigare genom att lägga markörerna till vänster och höger om en fototopp och ge kommandot Beräkna Centroid. Denna gång fås toppens läge i energienheten MeV. Jämför de erhållna energierna med de energier som användes vid den manuella kalibreringen. 5

1.4.3 Bestämning av gammaenergier från en okänd gammastrålare a) Ta nu upp ett spektrum från en gammastrålare med okända gammaenergier. Använd den eller de strålkällor läraren valt. Kopiera varje okänt spektrum till din kassett och läs det in i din dator. Din tidigare gjorda kalibrering kan även nu användas till att kalibrera ett okänt spektrum (se ovan). b) Jämför de erhållna gammaenergierna med spektra och sönderfallsscheman som återges i den utdelade stencilen samt försök att besvara frågorna på nästa sida. 6

1.5 Frågor om mätning av gammaspektrum Fråga 1. Vilket/vilka sönderfall kommer från den uppmätta strålningen? Fråga 2. Vilka är dotterkärnorna till de sönderfall Du har studerat i denna laboration? Fråga 3. Från de sönderfallande kärnorna utsänds, förutom gammastrålning, även β-strålning. Varför kan den inte detekteras i NaI-detektorn? Fråga 4. Varifrån kommer bakgrundsstrålningen? Finns det någon radioaktiv isotop som lätt kan identifieras? Extrauppgift: Jämförelse av detektionseffektiviteten för ett GM-rör och en NaI-detektor. Sätt 137 Cs-preparatet på samma avstånd från GM-rörets räknare. Använd lika lång mättid som vid upptagningen av 137 Cs-spektrat. Summera antalet pulser i fototoppen i gammaspektret genom att använda centroidrutinen och jämför denna summa med antalet registrerade pulser i GM-röret. Slutsats:......... 7