Methode

Eine Material - Probe kann durch die Strahlung einer radioaktiven Substanz zur Emission von Röntgen - Strahlung angeregt werden, die über die in der Probe enthaltenen chemischen Elemente Auskunft gibt. Im vorliegenden Fall wurde eine Kopf - Haar - Probe mit einem das Radionuklid Americium (Am) - 241 enthaltenden Präparat angeregt [1]. Das Photonen - Spektrum des Präparats, erzeugt vom Am - 241 - Umwandlungsprodukt Neptunium (Np) - 237, zeigt zahlreiche Röntgen - und Gamma - Linien, die von einer Probe gestreut werden und das Spektrum der in der Probe angeregten Photonen - Strahlung überlagern. Um diese Streustrahlung gering zu halten wurden hier die Schichten von Probe und Probenträger möglichst dünn gehalten. Dadurch sollte die von den in Probe und Träger vollständig absorbierten Alpha - Teilchen der Strahlen - Quelle angeregte Probenstrahlung stärker hervortreten gegenüber der störenden gestreuten Photonen - Strahlung der Quelle.

Experimentelle Anordnung

Das anregende Am - 241 - Präparat war in ein Metall - Plättchen von wenigen mm Durchmesser eingewalzt, das auf einer Metall - Scheibe befestigt war. Die Aktivität war zu 33 KBq deklariert.

Die Haar - Probe, gespendet vom 92-jährigen Vater des Verfassers, lag in einer < 0,2 mm dicken Schicht auf einem etwa 0,1 mm dicken Blatt Filter - Papier, dem Probenträger. Dieser lag zur Verringerung von Streustrahlung nur an seinen Rändern auf einem Stützrahmen auf. Die Anregungsstrahlung der entlang ihrer Zentralachse etwa 1,5 cm von der Probenfläche entfernten Strahlen - Quelle traf schräg auf die Probe auf. Zu Dieser ebenfalls schräg ausgerichtet war die Achse des Strahlen - Detektors, einem "Röntgen - Energie - Detektor" der Firma Phywe [2]. Der Detektor - Sensor war im Mittel etwa 1,5 cm von der Probenfläche entfernt. Die folgende Abbildung zeigt die zur Reduzierung störender Röntgen - Fluoreszenz aus Pappe gefertigte Halterung für die Strahlen - Quelle und das Träger - Papier als Schnitt - Schema:

 

 

Die Detektor - Signale wurden mit einem Vielkanalanalysator der Firma Phywe aufbereitet und gespeichert. Zur Darstellung der Daten in Form eines Spektrums wurde das Programm "Measure" derselben Firma eingesetzt.

Zur Reduzierung der Strahlung der Quelle in die Umgebung des Versuchsaufbaus war Dieser von einem Stahlblech - Gehäuse umgeben. Die Strahlung im Versuchsraum wurde mit einem Dosimeter überwacht.

Messergebnisse

Unter den oben beschriebenen Bedingungen wurden folgende Photonen - Strahlung - Spektren, zunächst noch ohne Energie - Kalibrierung, von Probe und Träger erhalten:

 

 

Bei Messung der Haar plus Papier - Probe wurden in 58 Stunden 3380 Impulse nach Anzeige im Bildschirm - Fenster des Programms "Measure", 3214 Impulse nach den gespeicherten Messdaten registriert. Die Messung des leeren Träger - Papiers erbrachte, ebenfalls in 58 Stunden, 3833 Impulse laut "Measure" - Fenster, 3672 Impulse nach der gespeicherten Messung.

Ein vergrößerter Ausschnitt des Spektren - Vergleiches ist nachfolgend abgebildet.

 

 

Auswertung

Bei der Interpretation der mit den genannten Mitteln gewonnenen Spektren muss berücksichtigt werden, dass mit Abnahme der Photon - Energie immer mehr Photonen vom Schutzfenster des Detektor - Sensors und von der Luft vor dem Sensor absorbiert werden und der Registrierung entgehen. Andererseits durchdringen mit zunehmender Energie Photonen zunehmend häufig den Sensor ohne Wechselwirkung und damit ebenfalls ohne Registrierung. Aus der Kombination beider Effekte ergibt sich für den hier eingesetzten Detektor ein Maximum der Empfindlichkeit für Photonen mit Energien um etwa 10 KeV [2].

Zur Interpretation der Peaks in den Haar - Papier - Spektren müssen die Energie - Werte zu den Peak - Maxima ermittelt werden anhand eines Kalibrierspektrums. Als solches wurde das Spektrum des auch zur Anregung von Röntgen - Strahlung eingesetzten Am - 241 - Präparats verwendet, dessen Peaks nach Spektrum - Abbildungen und Energie - Tabellen in der Literatur identifiziert wurden. Das durch eigene Messung erhaltene Präparat - Spektrum, laut "Measure" - Fenster aus in 17,3 Stunden registrierten 146710 Impulsen bestehend, zeigt auch Peaks, die durch Anregung der im Detektor enthaltenen chemischen Elemente verursacht sind. Solche Peaks sind in Veröffentlichungen von Detektor - Herstellfirmen dokumentiert [3][4]. Sie sind im hier aufgenommenen Spektrum daran erkennbar, dass sie zusätzlich zu den in der Literatur veröffentlichten Peaks des Am - 241 - Präparats auftreten und ihre Peak - Energien, ermittelt durch lineare Interpolation zwischen den Energie - Werten zweier benachbarter Np - Peaks, mit den von den Herstellfirmen angegebenen übereinstimmen. Auch diese Detektor - bürtigen Peaks wurden zur Kalibrierung herangezogen.

 

Zwecks Darstellung schwacher Peaks wurde in der folgenden Graphik die Skala der Impuls - Häufigkeit aus dem obigen Spektrogramm stark gedehnt:

 

Zur Ermittlung der Kanal - Nummer zu einem Peak - Maximum wurden im "Measure" - Fenster Detail - Darstellungen gewählt, bei denen zu jedem Kanal die vom Vielkanalanalysator vergebene Nummer abgelesen werden kann. In den Detail - Ansichten aller hier abgebildeten Spektren zeigen sich wegen der geringen Zahl registrierter Impulse die Maxima der Spektrum - Peaks zu zerklüftet, um eine genaue Kanal - Nummer - Angabe der Lage eines Maximums ablesen zu können, die daher nur geschätzt werden kann. Entsprechend unsicher sind auch die aus dem Kalibrierspektrum abgeleiteten Energie - Werte zu den Haar - und Papier - Spektren - Peaks.

Die folgende Tabelle stellt die Werte - Paare zu den Kalibrierspektrum - Peaks zusammen:

 

Zur Energie - Kalibrierung verwendbare Peaks im vom Am - 241 - Präparat aufgenommenen Photonen - Spektrum
Geschätzte Kanal - Nummer zu Peak - Maximum	Peak - Energie nach Literatur - Daten [1][3][4]
3903	59,54 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
2170	33,20 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung. Nur im gedehnten Spektrum erkennbar trotz etwa gleicher Photonen - Häufigkeit wie beim 26,34 KeV - Peak , möglicherweise wegen abnehmender Empfindlichkeit des Detektors zu steigenden Photon - Energien hin.
1717	26,34 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
1623	24,94 und 24,91 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
1439	22,163 und 21,991 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
1357	21,11 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
1151	17,99, 17,75 und 17,06 KeV - Peaks der Np - 237 - Strahlung. Mittlerer Peak etwa 5 x stärker als die beiden anderen Peaks, alle überlappen hier zu einem Gemeinschaftspeak.
1100	16,84 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
902	13,94 und 13,76 KeV - Peaks der Np - 237 - Strahlung. Intensitätsverhältnis etwa 10 : 1.
767	11,89 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
626	9,705 und 9,618 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Gold.
521	8,048 und 8,028 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Kupfer.
411	6,404 und 6,391 KeV - Peaks von in Präparat - Halterung und Detektor enthaltenem Eisen.
63	0,930 KeV - Peak von im Detektor enthaltenem Kupfer.
53	Durch thermisch bedingte Schwankungen des Elektronen - Flusses in der Detektor - Elektronik verursachter "Rauschpeak".

 

Das Kalibrierdiagramm wurde mit dem "Windows" - Zubehör "Paint" erstellt. Zwecks vereinfachtem Eintrag von Kanal - Nummern und Ablesen von Energie - Werten wurde als Diagramm - Nullpunkt das Pixel mit den Koordinaten 0 / 0 gewählt. Die y - Pixel - Koordinate zu einer Kanal - Nummer wurde durch deren Teilung durch 10 erhalten, 1 Pixel auf dieser Skala entspricht also 10 Kanälen. Die x - Pixel - Koordinatenzahl errechnet sich durch Multiplizieren eines Energie - Werts in KeV mit 10 beziehungsweise Dividieren eines Werts in eV durch 100, 1 Pixel entspricht hier 100 eV oder 0,1 KeV. Auf diese Weise kann zwischen zur "Paint" - Cursor - Position angezeigten Pixel - Koordinaten einerseits und Kanal - Nummern und Energie - Werten andererseits einfach umgerechnet werden. Nach Zeichnung des Kalibriergraphen kann ein solches "kopfstehendes" Diagramm durch Vertikalspiegelung in eine "normale" Ansicht, mit nach rechts und oben steigenden Skalen - Werten, gebracht und durch Anfügen von Seitenflächen Platz für Skalen geschaffen werden.

Ein Markierkreuz zu einem Werte - Paar im Diagramm wurde nur ein mal gezeichnet und in die Zwischenablage kopiert. Jedes weitere Werte - Paar wurde dann nur noch als 1 Pixel - Punkt eingezeichnet und das kopierte Markierkreuz auf transparent gewähltem Untergrund über einen solchen Punkt geschoben.

Auf oben beschriebene Weise in ein Diagramm eingetragen ergeben die Tabellenwerte folgendes Bild, in dem die Zentren der Markierkreuze zur maximalen Genauigkeit bei der Zeichnung des Kalibriergraphen und beim Ablesen von Diagramm - Werten als 1 Pixel - Punkte gezeichnet sind:

 

 

Zwischen dem Graphen, der durch Verbinden jeweils zweier benachbarter Diagramm - Marken mit einer Geraden entsteht, im obigen Diagramm schwarz, und einer zwischen den beiden Endmarken gezogenen Geraden, im Diagramm rot, besteht nur eine geringe Abweichung im Bereich der Kanal - Nummern 1100 bis 1500. Für die oben genannte Messgeräte - Kombination wird auch von der Herstellfirma ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen Photon - Energie und Kanal - Nummer angegeben.

 

Peaks im Spektrum des Probenträger - Papiers
Kanal - Nummer zu Peak - Maximum	Photon - Energie dazu in KeV nach Kalibrierdiagramm	Literatur - Daten und Kommentar
3904	59,4	59,54 - Peak der Np - 237 - Anregungsstrahlung, siehe oben. Stammt vermutlich von direkt aus der Strahlen - Quelle zum Detektor gelangten Photonen, da Peaks Energie - ärmerer, vom Detektor - Gehäuse stärker absorbierter Np - Photonen fehlen.
3637	55,6	Ein Peak an dieser Stelle mit einer Höhe von etwa 1/4 derjenigen des 59,54 - Peaks fehlt im Spektrum der Anregungsstrahlenquelle. Für vom Papier Compton - gestreute 59,54 KeV - Photonen und einen angenommenen mittleren Compton - Streuwinkel --- der wahre Wert wurde nicht bestimmt --- von 60 ° wurde die Rest - Energie nach der Streuung zu 56,26 KeV berechnet [8]. Weiteres hierzu siehe unten.
1625	24,9	24,94 und 24,91 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber? Verbreiterung der Peak - Flanke auf der höherenergetischen Seite zeigt möglicherweise Überlappung mit einem dort gelegenen Nachbarpeak.
1439	22,1	22,163 und 21,991 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber?
524	8,0	8,048 und 8,028 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Kupfer?
414	6,4	6,404 und 6,391 KeV - Peaks von Eisen in der Träger - Platte des Am - 241 - Präparats und im Detektor?
63	0,9	0,930 KeV - Peak von im Detektor enthaltenem Kupfer?
53	-	Durch thermisch bedingte Schwankungen des Elektronen - Flusses in der Detektor - Elektronik verursachter "Rauschpeak".

 

Infolge der geringeren Zahl registrierter Messimpulse sind die Peaks in den Haar - Papier - Spektren noch weniger regelmäßig geformt und ist daher die Schätzung der Lage eines Peak - Maximums noch weniger sicher als beim Spektrum der Kalibrierstrahlenquelle.

Im Papier - und im Haar plus Papier - Spektrum ist von den Np - Peaks des Strahlen - Quelle - Spektrums nur der Peak bei 59,54 KeV sicher erkennbar. Die in den Detektor - Bestandteilen angeregten Photonen sind dagegen mit mehreren Peaks vertreten. Erklärungsversuch: Das Detektor - Gehäuse schirmt direkt von der Quelle kommende Energie - ärmere Np - Photonen zu stark ab, nur von den 59,54 KeV - Exemplaren schaffen es ausreichend viele bis ins Detektor - Innere, um den 59,54 - Peak und die Peaks der chemischen Elemente der Konstruktionsmaterialien zu erzeugen. Falls es sich bei dem 55,6 KeV - Peak um einen Compton - Rückstreupeak zu den 59,54 KeV - Photonen aus dem Träger - Papier handelt, kann das Fehlen weiterer derartiger Rückstreupeaks vielleicht damit erklärt werden, dass die Effiziens dieser Streuung für Energie - ärmere Photonen mit abnehmender Energie schnell abnimmt.

Die weitgehend fehlenden Np - Peaks in den Haar - Papier - Spektren könnten anzeigen, dass Papier und Haar wie beabsichtigt vor Allem von der Alpha - Strahlung der Quelle zur Röntgen - Emission angeregt wurden. Gleiche Peaks sind im Papier - Spektrum größer als im Haar plus Papier - Spektrum. Möglicher Grund: Das anfangs in dünner Schicht auf dem Träger - Papier aufliegende Haar bauschte sich während der Messungen zur Strahlen - Quelle hin auf, wodurch die Messgeometrie sich veränderte. Dadurch dürften zum Einen Alpha - Teilchen verstärkt durch das nun näher platzierte Haar absorbiert worden und erzeugte Röntgen - Photonen häufiger am Detektor vorbei emittiert worden sein.

Peaks, die trotz der genannten Umstände im Haar plus Papier - Spektrum stärker ausgeprägt sind als im Spektrum des leeren Papiers, wurden als vom Haar und vom Papier gemeinsam erzeugt angenommen, also von Elementen, die in beiden Materialien vorkommen. Nur im Haar plus Papier - Spektrum erscheinende Peaks werden hier als nur vom Haar erzeugt interpretiert.

Wegen der geringen Zahl der registrierten von der Haar - Probe emittierten Röntgen - Photonen sind in deren Spektrum allenfalls Peaks der am stärksten in der Probe vertretenen Elemente zu erwarten [5][6][7]. Und von Diesen wiederum ist nur mit Peaks solcher Elemente zu rechnen, die von dem Am - 241 - Präparat besonders wirksam angeregt werden und deren Photon - Energien nahe genug am Maximum der Energie - Empfindlichkeit des Detektors liegen, siehe oben.

 

Vermutlich von der Haar - Probe alleine oder mit verursachte Peaks
Kanal - Nummern zu Peak - Maxima	Photon - Energien dazu in KeV nach Kalibrierdiagramm	Literatur - Daten und Kommentar
220 bis 170	3,4 bis 2,5	In diesem Bereich liegen die stärksten Röntgen - Emission - Peaks von Chlor, 2,622 und 2,620 KeV, und Kalium, 3,314 und 3,311 KeV.

 

In einer anderen Veröffentlichung dokumentierte Röntgen - Emission - Spektren von menschlichem Haar zeigen Peaks der Elemente Aluminium, Calcium, Chlor, Eisen, Kalium, Kohlenstoff, Kupfer, Magnesium, Natrium, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel, Silizium, Stickstoff, Titan und Zink mit je nach individueller Herkunft einer Probe sehr unterschiedlichen Peak - Höhen [9].

Quellen und Anmerkungen