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Vorrichtungen zur Registrierung von Alpha - Strahlung

 

 

 

Allgemeines


 

Die Konstruktion von Vorrichtungen zur Messung von Alpha - Strahlung wird wesentlich von deren Reichweite bestimmt, die in Luft bei Raumtemperatur und im nahe der Erdoberfläche üblichen Druck - Bereich in der Größenordnung von cm, in Festkörpern dagegen unter einem Millimeter liegt.

 

Antiker Mahner
  • Personen mit beeinträchtigter Wahrnehmungs- und Selbstschutzfähigkeit sollten Hochspannung nutzenden Geräten zur Registrierung von Alpha - Strahlung fernbleiben. Auch der Zugang zu ausgeschalteten Vorrichtungen sollte ihnen verwehrt bleiben.

  • Personen mit Herz - Störungen oder implantierten metallischen Teilen oder elektrischen Geräten sollten von Experimenten mit Hochspannung nutzenden Vorrichtungen Abstand nehmen!

  • Wegen der Gefahr Hochspannung - induzierter Explosionen sollte bei Versuchen damit eine Schutzbrille getragen werden.

  • Vor Arbeiten an Hochspannungsgeräten sollten nicht nur Aus - Schalter betätigt sondern auch die Strom - Quellen selbst abgetrennt werden (Ziehen von Netz - Steckern, Entfernen von Batterien) sowie Kondensatoren durch Kurzschließen mit hochspannungsfesten isolierten Leitungen entladen werden.

  • Während des Betriebs solcher Vorrichtungen sollten isolierende Handschuhe getragen werden, jedoch keine luftdicht anliegenden Gummi - Artikel, die von Hochspannungsfunken durchschlagen werden können und den Haut - Widerstand durch Schweiß - Anregung senken, sondern nicht zu dünne Textil - oder Kunstleder - Modelle.

  • Um Stromfluss zwischen beiden Händen durch das Herz zu verhindern, sollte bei Annäherung an Hochspannung führende Teile eine Hand in eine Hosentasche gesteckt oder wenigstens auf dem Rücken gehalten werden.

  • Für Notfälle sollten Feuerlöscher und Telephon in unmittelbarer Nähe bereitstehen.

 

Die Stärke der bei Registrierung von Alpha - Teilchen von elektronischen Detektor - Schaltungen ausgegebenen Impuls - Signale ist Temperatur - abhängig. Solange sich die Bauteile einer solchen Schaltung nach dem Einschalten durch die in ihr fließenden Ströme allmählich erwärmen, ändert sich auch die Stärke eines Ausgangssignals selbst bei Registrierung von Teilchen immer der gleichen Energie. Die Kalibrierung eines Strahlen - Detektors sollte daher ebenso wie die Aufnahme eines Alpha - Strahlung - Spektrums einer Analysenprobe immer erst dann durchgeführt werden, wenn die Detektor - Schaltung ihre endgültige Betriebstemperatur erreicht hat, wenn also die Wärme - Entstehung durch Strom - Fluss ebenso groß ist wie die Abgabe von Wärme durch die Schaltung an die Umgebung (Gerät - Gehäuse, Luft). Dieser Zustand eines thermischen Gleichgewichts ist erkennbar daran, dass ein in der Schaltung angebrachtes Thermometer keine Temperatur - Änderung mit der Zeit mehr anzeigt, oder daran, dass sich bei einer Serie von Kalibriermessungen, etwa in Zeit - Abständen von 10 Minuten, keine Änderungen der Kalibrierfunktion mehr zeigen.

Messungen von Strahlungen allgemein erfordern wegen der zahlreichen Strahlen - Quellen in der Umwelt neben der Messung an einem zu untersuchenden strahlenden Objekt eine Vergleichsmessung, bei der alle experimentellen Bedingungen, auch die räumliche Positionierung und die Betriebsbedingung eines Strahlen - Detektors, gleich gehalten werden wie bei der Objekt - Messung außer dass bei der Vergleichsmessung natürlich das Messobjekt fehlen muss. Die im Vergleich gemessene Strahlung muss von der am Objekt gemessenen Strahlung abgezogen werden. Die Rate der Detektor - Ansprechereignisse ohne Anwesenheit eines Messobjekts wird Nullrate genannt.

 

 

Auf Szintillation basierende Detektoren


 

Manche Materialien senden bei Beschuss mit Alpha - Strahlung sichtbares Licht aus. Bei mittels Lupe vergrößerter Betrachtung der der Strahlung ausgesetzten (exponierten) Oberfläche solcher Leuchtstoffe und bei genügend schwacher Strahlung - Intensität erscheint dem Auge dieses Licht wie ein Funkeln, da ein einzelnes Alpha - Teilchen eine Licht - Aussendung (Emission) in Form eines kurzen Blitzes verursacht. Abgeleitet vom lateinischen Wort scintilla für Funke wird besagtes Licht - Phänomen als Szintillation (Englisch Scintillation), der betreffende Leuchtstoff als Szintillator (Englisch Scintillator) bezeichnet. Ist die Intensität der Alpha - Strahlung zu groß, verschwimmen die einzelnen Licht - Blitze zu einem diffusen Leuchten der gesamten Leuchtstoff - Fläche.

Die Dauer des Szintillationsleuchtens nach Auftreffen eines einzelnen Alpha - Teilchens beträgt zum Beispiel beim Leuchtstoff Sidot - Blende, siehe unten, etwa 50 bis 70 Mikrosekunden [2]. Photographierbar sind einzelne Licht - Blitze nur mit sehr empfindlichen Restlichtverstärker - Kameras [2]. Das über eine Zeit - Spanne summierte Szintillationslicht ist vielleicht auch mit Kameras mit Dauerbelichtungsmöglichkeit (Einstellung B bei Wahl der Belichtungsdauer) photographierbar.

Da Leuchtstoffe sich unter Einwirkung von Alpha - Strahlung langsam zersetzen, sollten diese Materialien für eine möglichst lange Nutzungsdauer einer Alpha - Strahlung nur während Messungen ausgesetzt werden. Dementsprechend sollten Leuchtstoffe auch vor einer Dauereinwirkung des radioaktiven Edelgases Radon (Rn) geschützt werden [2]. Rn kann aus dem Erduntergrund in Gebäude und damit auch in Experimentierräume eindringen.

 

Festkörper - Szintillatoren

 

Unter normalen Umgebungsbedingungen feste Materialien, die unter Einwirkung von elektromagnetischer oder von Teilchen - Strahlung Licht emittieren, werden allgemein auch Phosphore genannt. Ein seit Entdeckung der Radioaktivität wegen hoher Licht - Ausbeute verbreitet genutzter Festkörper - Szintillator ist feinkristallines Zinksulfid (ZnS), das mit etwa 0,1 Milligramm Kupfer (Cu) - oder Silber (Ag) - Ionen pro Gramm ZnS versetzt (dotiert) ist. Ein solcher Leuchtstoff wird auch Sidot - Blende genannt.

Eine vor dem Aufkommen elektronischer Strahlung - Detektoren verbreitet in Gebrauch gewesene Anordnung zum visuellen Nachweis von Alpha - Strahlung ist das Spinthariskop. Es besteht aus einer planen Festkörper - Szintillator - Schicht (Leuchtschirm), deren Oberfläche mit einer Lupe betrachtet werden kann. Zwischen Lupe und Leuchtschirm ist eine Vorrichtung zur Befestigung einer auf Alpha - Strahlung zu untersuchenden Material - Probe angebracht. Spinthariskope sind kommerziell erhältlich [6], können aber auch von Lai/inn/en selbst gebaut werden [5]. Einige Bezugsquellen für Szintillator - Materialien sind unten angegeben [9]. Bei Selbstanfertigung des Leuchtschirms sollten die Leuchtstoff - Körnchen möglichst wenig vom Bindemittel, das die Körnchen auf einer Unterlage fixiert, überdeckt werden, damit Alpha - Strahlung ungehindert auf den Leuchtstoff auftreffen kann. Daher sollte eine plane Unterlage zuerst mit Bindemittel beschichtet und dann ein Leuchtstoff - Pulver dick aufgestreut und mit einem Stempel leicht an das Bindemittel angedrückt werden. Verbleibendes loses Pulver kann nach Aushärtung des Bindemittels vom Schirm abgeklopft, abgesaugt oder weggeblasen werden. Im Haushaltswaren - oder Schreibwaren - Handel erhältliche Klebstreifen oder Klebefolien können mit der beschichtungsfreien Seite auf eine plane Unterlage geklebt werden, so dass die folieneigene Klebeschicht mit Leuchtstoff - Pulver bestreut werden kann [8]. Im einfachsten Fall kann natürlich auch zum Beispiel der Boden eines flachen Napfes mit Leuchtstoff - Pulver bedeckt und dieses ohne Bindemittel - Verwendung mit einem Stempel zu einer Schicht mit planer Oberfläche verdichtet werden. In diesem Fall muss die Leuchtstoff - Schicht natürlich immer waagerecht liegen und muss eine zu untersuchende Probe an einer über dem Leuchtstoff angebrachten Halterung befestigt werden. Fällt dabei allerdings Alpha - strahlendes Probenmaterial auf die lose Leuchtstoff - Schicht, ist Diese für weitere Messungen verdorben. Grundsätzlich muss vor jeder Untersuchung einer Probe auf Alpha - Strahlung die Leuchtstoff - Oberfläche eines Spinthariskops ohne Probe auf strahlende Verunreinigungen abgesucht werden.

Um die einzelnen Licht - Blitze mit einem Spinthariskop wahrzunehmen muss ein Auge über normale Sehkraft verfügen und sich in völlig dunkler Umgebung auf maximale Licht - Empfindlichkeit eingestellt haben oder anders ausgedrückt an die Wahrnehmung im Dunkeln optimal angepasst (adaptiert) sein. Diese Adaptionsphase ist individuell verschieden und kann 15 bis 30 Minuten dauern. In manchen Leuchtstoffen bleiben die unter Bestrahlung mit Licht sich einstellenden Zustände erhöhter Energien der Elektronen im Umfeld der Leuchtstoff - Atome längere Zeit erhalten und gehen nur allmählich unter Emission von Licht wieder in die energetischen Ausgangszustände zurück. Daher leuchten solche Leuchtstoffe nach Belichtung und anschließendem Verbringen in dunkle Umgebung Sekunden bis Stunden lang nach. Dieses lange Nachleuchten, Phosphoreszenz genannt, zeigen auch einige Szintillator - Materialien. Das Phosphoreszenz - Licht kann die Szintillationsblitze überstrahlen. Daher sollten Szintillator - Materialien möglichst vor Licht - Einfall geschützt werden und vor ihrem Einsatz als Detektoren für Alpha - Strahlung eine ausreichend lange Zeit in völliger Dunkelheit verbringen [5]. Wann Auge und Leuchtstoff ihre für den Nachweis von Alpha - Strahlung notwendigen Empfindlichkeitszustände erreicht haben, muss mittels einer Alpha - strahlenden Probe ermittelt werden. Als Test - Proben können zum Beispiel radioaktive Minerale dienen, die im Mineralienhandel oder auf Mineralienbörsen erhältlich sind. Sehr viel teurer sind die im Lehrmittel - Handel erhältlichen, genehmigungsfreien, Alpha - Strahlung emittierenden radioaktiven Präparate.

 

Flüssige Szintillatoren

 

Bei Normaltemperatur flüssige Szintillatoren eignen sich zur Messung der Alpha - Strahlung flüssiger Proben, wenn Szintillator und Probe ohne Bildung von Niederschlägen mischbar sind.

 

 

Zählrohre


 

Infos zu Zählrohren sind in einem anderen Kapitel zu finden [1]. Da Alpha - Teilchen schon durch sehr dünne Schichten fester Materie stark abgebremst werden, wird die untere Grenze der Energie dieser Teilchen, ab der sie von einem Zählrohr registriert werden können, vor Allem durch die Dicke und das Material des Zählrohr - Fensters bestimmt, das als Eintrittspforte für die zu messende Strahlung dient.

 

 

Halbleiter - Detektoren


 

Mit Halbleiter - Detektoren können Energien von Alpha - Teilchen viel genauer bestimmt werden als mit Szintillator - Detektoren. Je besser ein Detektor auch nur wenig differierende Teilchen - Energien unterscheiden kann, je besser also sein Energie - Auflösungsvermögen ist, desto sicherer können in einer Probe vorhandene Radioisotope identifiziert werden.

Der Bau eines Detektors, bei dem eine Photodiode nach Entfernung der über ihrer Licht - empfindlichen Fläche liegenden Schutzschicht zur Messung der Energien von Alpha - Strahlung - Teilchen verwendet wird, ist in der Literatur beschrieben [3].

Kommerzielle Halbleiter - Detektoren sind außer bei spezialisierten Herstell- oder Vertriebsfirmen auch bei Lehrmittel - Vertrieben erhältlich [4].

 

 

Messung von Teilchen - Energien in Niedrigdruck - Atmosphären


 

Mit der Abbremsung von Alpha - Strahlung - Teilchen durch Luft - Moleküle nehmen auch die Energien der Teilchen ab. Dieser Effekt kann zwar für eine Grobaufnahme des Energie - Spektrums einer Strahlen - Quelle genutzt werden, indem von den Reichweiten der Strahlung - Teilchen in Luft auf deren Energien zurückgeschlossen wird. Bei der genaueren Messung der Häufigkeitsverteilung der Energien von Alpha - Teilchen einer Probe mit Halbleiter - Detektoren wirkt aber Luft zwischen Probe und Detektor störend, da Letzterer dann nicht die ursprüngliche Energie eines Alpha - Teilchens misst sondern die nach Abbremsung durch Luft verbleibende Rest - Energie. Zwar kann mittels Kalibrierstrahlenquellen, die Alpha - Teilchen mit bekannten Energien emittieren, von in Normalatmosphäre gemessenen Energien der Strahlung einer Analysenprobe auf die wahren Energien zurückgerechnet werden. Genauer ist aber die Aufnahme des Energie - Spektrums der Alpha - Strahlung einer Probe in einer Gas - Atmosphäre von möglichst geringem Druck. Auch können Alpha - Teilchen mit geringen Energien auf dem Weg von der Strahlen - Quelle zum Detektor durch eine Gas - Atmosphäre so stark abgebremst werden, dass sie vom Detektor gar nicht registriert werden. Im Lehrmittel - Handel sind für allgemeine Experimentierzwecke von ihrem Gas - Inhalt durch Abpumpen befreibare (evakuierbare) Kammern erhältlich. Speziell zur Aufnahme von Alpha - Strahlung - Spektren wird eine evakuierbare Kammer mit Halterung für einen Halbleiter - Detektor angeboten [7]. Inwieweit die im Haushaltsgeräte - Handel vertriebenen Kammern zur Unterdruck - Konservierung von Lebensmitteln bei der Aufnahme von Alpha - Strahlung - Spektren behilflich sein können bleibt zu klären. Da bei den letztgenannten Vorrichtungen kein externer Anschluss für ein Gasdruck - Messgerät (Manometer) vorhanden ist, muss zur Messung des Drucks ein Manometer in die Kammer gelegt werden. Da einem solchen Manometer die Atmosphäre außerhalb der Unterduck - Kammer als Vergleichsatmosphäre fehlt sind hier nur solche Manometer brauchbar, die in ihrem Innern eine eigene Kammer mit einem definierten Gasdruck oder einem Vakuum als Bezugsatmosphäre besitzen, was zum Beispiel bei manchen elektronischen Druck - Messmodulen der Fall ist (Absolutdruck - Manometer).

 

 

Quellen und Anmerkungen


 

1. Siehe Kapitel "Vorrichtungen zur Registrierung von Röntgen - Strahlung".
2. Schwankner, R. J. / und Andere: Zur Kenntnis und radiometrischen Charakterisierung von Spinthariskopen. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 2003; 56 (1): 16 - 21.
3. Jäkel, C. E.: Ein PC-Vielkanalanalysator und seine Anwendungen in der Kernphysik. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 1995; 48 (2): 92 - 100.
4. Nicht wertende Auswahl von Firmen, die Halbleiter - Detektoren für Alpha - Strahlung anbieten:
5. Kohlenstoffkarbid [Pseudonym]: Spinthariskop selbst gemacht. [Mit Datum 20.03.2010 verfasster Beitrag zum Portal Versuchschemie]: http://www.versuchschemie.de/ptopic,228290.html
6. Nicht wertende Auswahl von Firmen, die Spinthariskope anbieten:
7. Die Firma Phywe Systeme, http://www.phywe.de bietet einen "Rezipient für Kernphysik-Versuche", Artikel - Nr. 09103-00, an. Zu dessen Nutzung ist zusätzlich eine Vakuum - Pumpe notwendig.
8. von Philipsborn, H.: Large-area low-level gross alpha ZnS scintillation counting. In: Applied Radiation and Isotopes 2009; 67: 797 799.
9. Nicht wertende Auswahl von Firmen, die Szintillator - Materialien anbieten:
  • EljenTechnology, Sweetwater,Texas, vertreibt mit einer Schere zuschneidbare Leuchtschirme, die mit dem Szintillator EJ-440, einem Silber - dotierten ZnS - Leuchtstoff, auf einer Polyester - Unterlage beschichtet sind.
  • Leuchtstoffwerk Breitungen GmbH, D - 98597 Breitungen, vertreibt den als Szintillator einsetzbaren Leuchtstoff EF1 Blau/EU.

 

Zuletzt aktualisiert am 10.05.2011
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