Roentgen - Spektrum von mit Am - 241 angeregtem Tomaten

Umwelt und Gesundheit
im Test

Röntgen - Spektrum von mit Am - 241 angeregtem Tomaten - Mark

Methode

Eine Tomaten - Mark - Probe wurde durch die Strahlung des Radionuklids Americium (Am) - 241 zur Emission von Röntgen Photonen angeregt [1].

Ausführung

125 g Tomaten - Mark [5] wurden im Backofen bei 85 ° C bis auf 35 g eingedampft. Davon wurde eine Scheibe mit 4 cm Durchmesser und ca. 1/2 cm Höhe im Probenhalter, zur Reduzierung störender Röntgen - Fluoreszenz aus Pappe gefertigt, auf einer Unterlage aus dem Pergament - Papier eines Brief - Umschlags aufgebracht, wie in der folgenden Graphik skizziert:

Die Anregung der Probe zur Röntgen - Emission erfolgte mit dem Radionuklid Am - 241, die Spektren - Aufnahme mit dem "Röntgen - Energie - Detektor" der Firma Phywe [2].

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 von den Photonen im Detektor erzeugten Impulse wurden einem Vielkanalanalysator, ebenfalls von Phywe, aufbereitet. Zur Darstellung der Daten in Form eines Spektrums wurde das Programm "measure" dieser 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 wurde bei einer Messzeit von mehreren Tagen folgendes Energie - Spektrum der vom Detektor erfassten Photonen, zunächst noch ohne Energie - Kalibrierung, erhalten:

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 im Probe - Spektrum müssen die Energie - Werte zu den Peak - Maxima ermittelt werden anhand eines Vergleichsspektrums mit bekannten Peak - Energien. Mittels Letzterem und einer Kalibrierfunktion können die vom Vielkanalanalysator ausgegebenen Kanal - Nummern in Photon - Energie - Werte umgerechnet werden.

Die Strahlung des Mutternuklids Am - 241 selbst fehlt wegen geringer Intensität im Präparat - Spektrum, dort sind die Photonen des Tochter - Nuklids Np - 237 vertreten. Die Identität eines Peaks im Präparat - Spektrum kann aus seiner relativen Lage zu Nachbarpeaks auf der Kanal - Nummer - Skala, aus seiner Höhe relativ zu Nachbarpeaks und durch Vergleich mit in der Literatur veröffentlichten Spektren ermittelt werden. Nachfolgend das Spektrum des Am - 241 - Präparats:

Die folgende Tabelle stellt die Werte - Paare aus Kanal - Nummern und der Literatur entnommenen Energien der Peak - Maxima des Spektrums der Anregungsstrahlenquelle 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]
53
Durch thermisch bedingte Schwankungen des Elektronen - Flusses in der Detektor - Elektronik verursachter "Rauschpeak".
63
0,930 KeV - Peak von im Detektor enthaltenem Kupfer.
411
6,391 KeV und 6,404 KeV - Peaks von in Präparat - Halterung und Detektor enthaltenem Eisen.
520
8,028 und 8,048 - KeV - Peak - Kombi von im Detektor enthaltenem Kupfer.
626
9,618 KeV - und 9,705 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Gold.
767
11,89 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
905
13,94 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
1037
15,8 KeV. In der Literatur ist für diese Energie kein Peak im Am - 241 - Spektrum angegeben. 15,692 und 15,770 KeV sind die Hauptenergien der von Zirkon emittierten Röntgen - Fluoreszenz - Photonen (K alpha 1 - und K alpha 2 - Linien). Dieses Element könnte im Träger - Blech der Radionuklid - Quelle enthalten sein.
1100
16,84 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
1151
17,06, 17,75 und 17,99 KeV - Peaks der Np - 237 - Strahlung. Mittlerer Peak etwa 5 x stärker als die beiden anderen Peaks, alle überlappen hier zu einem Gemeinschaftspeak.
1357
Asymmetrischer Peak, niederenergetische Flanke steiler als höherenergetische. Wegen unsicherer Erklärung ohne Berücksichtigung bei Berechnung der Kalibriergeraden, siehe unten. Nach dieser berechnete Energie 20,5 KeV. Der in dieser Gegend gelegene 21,11 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung ist bei Kanal - Nummer 1388 zu erwarten. Spekulative Erklärung: Die das Am - 241 fixierende Edelmetall - Legierung enthält Rhodium, dessen stärkste Röntgen - Emission bei 20,22 (K alpha 1) und 20,07 (K alpha 2) KeV liegt und dessen höherenergetische Peak - Flanke vom Np - Peak überlagert wird.
1439
21,991 und 22,163 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
1623
24,91 und 24,94 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
1717
26,34 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
2170
33,20 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung. Nur im Detail - Spektrum, siehe unten, erkennbar trotz etwa gleicher Photonen - Häufigkeit wie beim 26,34 KeV - Peak , möglicherweise wegen abnehmender Empfindlichkeit des Detektors zu steigenden Photon - Energien hin.
3902
59,54 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
Bei dem zu einem früheren Zeitpunkt aufgenommenen Am - 241 - Spektrum hätte wegen des Zeit - Versatzes zum Probe - Spektrum der Zusammenhang zwischen der Kanal - Nummer eines Peak - Maximums und der zugehörigen Photon - Energie anders sein können als beim Probe - Spektrum, bedingt durch Drift - Erscheinungen der Messelektronik in der Zwischenzeit. Da jedoch sowohl beim Anregungsspektrum als auch beim Probe - Spektrum der Peak mit den niedrigsten Kanal - Nummern, der Rauschen - Peak, als auch der mit den höchsten Nummern, der 59,54 KeV - Peak, auch bei stark vergrößertem Spektrum bei jeweils gleichen Kanal - Nummern liegen, kann eine Drift vernachlässigt und ein für die Anregungsquelle erstelltes Kalibrierdiagramm auf das Probe - Spektrum übertragen werden.

Anhand der Peaks im Spektrum der Anregungsquelle wurde ein Kalibrierdiagramm mit dem "Windows" - Zubehör "Paint" erstellt. Zwecks vereinfachtem Eintrag der Werte - Paare aus Kanal - Nummer und Energie 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.

Auf oben beschriebene Weise in ein Diagramm eingetragen ergeben die Tabellenwerte folgendes Bild:

In der Diagramm - Graphik sind jeweils 2 benachbarte Marken durch eine schwarze Linie verbunden, die beiden Endmarken durch eine rote. Alle als Punkte in das Diagramm eingetragenen Werte - Paare liegen auf einer Verbindungsgeraden. Für die oben genannte Messgeräte - Kombination wird auch von der Herstellfirma ein linearer Zusammenhang zwischen Photon - Energie und Kanal - Nummer angegeben.

Mit den beiden besonders weit auseinander liegenden und besonders hohen, was der Genauigkeit förderlich ist, Peaks der Anregungsstrahlung bei 13,94 KeV um Kanal 905 und 59,54 KeV um Kanal 3903 ergibt sich bei Annahme einer Geraden als Kalibriergraph eine Energie - Differenz von 15,21 eV zwischen 2 benachbarten Messkanälen bzw. eine Steigung der Kalibriergeraden von 1 Kanal / 15,21 eV.

Wegen der geringen Zahl registrierter Impulse und der daher statistisch bedingten Streuung um das wahre Peak - Maximum sind die Peaks im Probe - Spektrum so zerklüftet, dass die Lage eines Peak - Maximums nur geschätzt werden kann, hier anhand von durch die Software "measure" stark vergrößerten Ausschnitten um einen Peak herum.

Für den Bereich höherer Energien sind Ausschnitte der Spektren von Probe und Anregungsquelle nachfolgend im direkten Vergleich abgebildet:

Ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Probe - Spektrum im Niedrigenergie - Bereich zeigt einen im Übersichtsspektrum oben verdeckten, im gleichermaßen vergrößerten Spektrum der Anregungsquelle fehlenden Peak neben dem Rauschen - Peak:

In der folgenden Tabelle sind Informationen zu den Peak - Maxima im Probe - Spektrum zusammengestellt. Die Energie (E) - Bestimmung zur geschätzten Lage eines Peak - Maximums erfolgte mittels der Gleichung zum als Gerade angenommenen Kalibriergraphen, E = Kanal - Nummer x 0,01521 KeV:
Eigenschaften der Peaks im Probe - Spektrum

Geschätzter Kanal - Nummer - Bereich zu Peak - Maximum Kommentar und Peak - Energien
53 bis 54
Peak der von der Messelektronik verursachten Rauschen - Impulse. Liegt an gleicher Stelle auch im Spektrum der Anregungsquelle.
68
Im Detail - Spektrum oben deutlich vom Peak mit der niedrigsten Kanal - Nummer abgesetzt. 1,03 KeV. Fehlt im Spektrum der Anregungsquelle. Natrium (Na) emittiert Röntgen - Photonen am stärksten bei der Energie 1,041 KeV (K alpha 1 und K alpha 2), weniger stark bei 1,071 KeV (K beta 1 und K beta 3). Aufgrund der hier nur qualitativen Analyse bleibt offen, ob das Signal, wenn überhaupt, vom natürlichen Na - Gehalt des Tomaten - Marks stammt oder von ohne Deklaration zugesetztem Kochsalz.
100 bis 2000
Die Peaks in diesem Bereich treten auch im Anregungsspektrum auf, dort wegen der größeren Impuls - Zahlen deutlicher, siehe Tabelle oben.
2000 bis 4000
Keine sicher erkennbaren Peak - Strukturen, siehe Spektrum - Ausschnitt - Vergleich oben, außer dem 59,54 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung, dessen Maximum wie im Anregungsspektrum bei Kanal 3903 liegt.
Mit der oben beschriebenen Messanordnung werden auch bei Tage dauernder Registrierung zu wenig Impulse für eine Analyse der Probe erhalten.

Quellen und Anmerkungen

1.	Siehe Kapitel "Radioaktive Materialien".
2.	Firma Phywe: http://www.phywe.de
3.	Firma Phywe: http://www.phywe.de → TESS expert → Dokument "TEP 5.4.42-01 Eigenfluoreszenzstrahlung des Röntgenenergiedetektors"
4.	Firma LD-Didactic: http://www.ld-didactic.de → Dokument "Gebrauchsanweisung 559938 / Röntgenenergiedetektor"
5.	Bio - Tomatenmark aus spanischer Landwirtschaft.

Zuletzt aktualisiert am 08.06.2017

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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]
`53`	Durch thermisch bedingte Schwankungen des Elektronen - Flusses in der Detektor - Elektronik verursachter "Rauschpeak".
`63`	0,930 KeV - Peak von im Detektor enthaltenem Kupfer.
`411`	6,391 KeV und 6,404 KeV - Peaks von in Präparat - Halterung und Detektor enthaltenem Eisen.
`520`	8,028 und 8,048 - KeV - Peak - Kombi von im Detektor enthaltenem Kupfer.
`626`	9,618 KeV - und 9,705 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Gold.
`767`	11,89 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
`905`	13,94 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
`1037`	15,8 KeV. In der Literatur ist für diese Energie kein Peak im Am - 241 - Spektrum angegeben. 15,692 und 15,770 KeV sind die Hauptenergien der von Zirkon emittierten Röntgen - Fluoreszenz - Photonen (K alpha 1 - und K alpha 2 - Linien). Dieses Element könnte im Träger - Blech der Radionuklid - Quelle enthalten sein.
`1100`	16,84 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
`1151`	17,06, 17,75 und 17,99 KeV - Peaks der Np - 237 - Strahlung. Mittlerer Peak etwa 5 x stärker als die beiden anderen Peaks, alle überlappen hier zu einem Gemeinschaftspeak.
`1357`	Asymmetrischer Peak, niederenergetische Flanke steiler als höherenergetische. Wegen unsicherer Erklärung ohne Berücksichtigung bei Berechnung der Kalibriergeraden, siehe unten. Nach dieser berechnete Energie 20,5 KeV. Der in dieser Gegend gelegene 21,11 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung ist bei Kanal - Nummer 1388 zu erwarten. Spekulative Erklärung: Die das Am - 241 fixierende Edelmetall - Legierung enthält Rhodium, dessen stärkste Röntgen - Emission bei 20,22 (K alpha 1) und 20,07 (K alpha 2) KeV liegt und dessen höherenergetische Peak - Flanke vom Np - Peak überlagert wird.
`1439`	21,991 und 22,163 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
`1623`	24,91 und 24,94 KeV - Peaks von im Detektor enthaltenem Silber.
`1717`	26,34 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.
`2170`	33,20 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung. Nur im Detail - Spektrum, siehe unten, erkennbar trotz etwa gleicher Photonen - Häufigkeit wie beim 26,34 KeV - Peak , möglicherweise wegen abnehmender Empfindlichkeit des Detektors zu steigenden Photon - Energien hin.
`3902`	59,54 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung.

Eigenschaften der Peaks im Probe - Spektrum
Geschätzter Kanal - Nummer - Bereich zu Peak - Maximum	Kommentar und Peak - Energien
`53 bis 54`	Peak der von der Messelektronik verursachten Rauschen - Impulse. Liegt an gleicher Stelle auch im Spektrum der Anregungsquelle.
`68`	Im Detail - Spektrum oben deutlich vom Peak mit der niedrigsten Kanal - Nummer abgesetzt. 1,03 KeV. Fehlt im Spektrum der Anregungsquelle. Natrium (Na) emittiert Röntgen - Photonen am stärksten bei der Energie 1,041 KeV (K alpha 1 und K alpha 2), weniger stark bei 1,071 KeV (K beta 1 und K beta 3). Aufgrund der hier nur qualitativen Analyse bleibt offen, ob das Signal, wenn überhaupt, vom natürlichen Na - Gehalt des Tomaten - Marks stammt oder von ohne Deklaration zugesetztem Kochsalz.
`100 bis 2000`	Die Peaks in diesem Bereich treten auch im Anregungsspektrum auf, dort wegen der größeren Impuls - Zahlen deutlicher, siehe Tabelle oben.
`2000 bis 4000`	Keine sicher erkennbaren Peak - Strukturen, siehe Spektrum - Ausschnitt - Vergleich oben, außer dem 59,54 KeV - Peak der Np - 237 - Strahlung, dessen Maximum wie im Anregungsspektrum bei Kanal 3903 liegt.