17. Gamma-spectrometrie
Inleiding
Als een instabiele kern vervalt onder uitzenden van een α- of β-deeltje of beschoten wordt met neutronen of andere snelle deeltjes, blijft de nieuw ontstane kern vaak achter in een aangeslagen toestand – een toestand met extra energie. Deze kern zal dan na verloop van (meestal zeer korte) tijd vervallen naar zijn grondtoestand – de toestand met minimale energie – door het uitzenden van een γ-foton.
Bij dit experiment gebruiken we onder andere het instabiele kobalt-60. Dit nuclide vervalt in drie stappen naar nikkel-60, zoals weergegeven in het vervalschema hieronder.
Bij de eerste stap vervalt kobalt-60 onder uitzenden van β-straling tot nikkel-60 in een aangeslagen toestand met een extra energie van 2,50 MeV.
Bij de tweede stap vervalt het aangeslagen nikkel-60 naar een lagere aangeslagen toestand met een energie van 1,33 MeV onder uitzenden van γ-straling. Voor de energie Ef van dit γ-foton geldt dus: Ef = 2,50 –1,33= 1,17 MeV.
Bij de derde stap vervalt het nog steeds wat aangeslagen nikkel-60 naar zijn stabiele grondtoestand zonder extra energie onder uitzenden van γ-straling. Dit γ-foton heeft een energie Ef van 1,33 MeV.
Het kobalt-60 zendt dus γ-straling uit met twee waarden van de fotonenergie: 1,33 MeV en 1,17 MeV. We noemen dit het γ-spectrum van kobalt-60. Elk nuclide heeft zijn eigen kenmerkende aangeslagen toestanden van de kern met de daarbij behorende waarden van de extra energie. Daardoor is uit een meting van de energie van de uitgezonden γ-fotonen – of korter: uit een meting van het γ-spectrum – te bepalen om welk nuclide het gaat. Deze methode noemen we gamma-spectrometrie.
| Röntgen / divers | havo: buiten examenstof | vwo: moeilijk | Mobiel en UU |
Doel
Meten van het γ-spectrum van een onbekende bron met behulp van het bekende γ-spectrum van een ijkbron met kobalt-60.
Identificeren van de onbekende bron aan de hand van zijn gemeten γ-spectrum.
Opstelling
De opstelling bestaat uit een scintillatiedetector, die via een multichannel analyser (MCA) is aangesloten op een computer. Bij de opstelling hoort een ijkbron met kobalt-60 en een onbekende bron
Toepassingen
Gamma-spectrometrie wordt gebruikt voor het identificeren van radioactieve bronnen aan de hand van het uitgezonden γ-spectrum, bijvoorbeeld bij neutronen-activeringsanalyse. Bij deze techniek wordt een materiaal bestraald met neutronen, waardoor in het materiaal radioactieve nucliden ontstaan. Met gamma-spectrometrie kan men daarna de ontstane radioactieve nucliden identificeren en daarmee bijvoorbeeld verontreinigingen of vervalsingen (van schilderijen) aantonen.
Gamma-spectrogram
In een gamma-spectrogram is meer te zien dan de energie van de γ-fotonen die bij terugval naar een lagere energietoestand door de kern worden uitgezonden. Hieronder staat als voorbeeld het spectrogram van kobalt-60. Daarin is de intensiteit van de γ-straling uitgezet tegen de foton-energie.
Fotopieken – De karakteristieke fotopieken van 60Co liggen bij 1332 keV (piek 1) en 1173 keV (piek 2).
Comptonrug – De comptonrug (3) ontstaat doordat sommige fotonen een deel van hun energie door botsing overdragen aan vrije elektronen in het scintillatiekristal van de detector. De overgedragen energie kan elke waarde bezitten tussen nul en een zeker maximum. Dat verklaart dan ook de breedte van de comptonrug.
Terugstrooipiek – De terugstrooipiek (4) ontstaat doordat in het materiaal dat het scintillatiekristal van de detector omringt ook comptonverstrooiing optreedt. Nadat deze fotonen daarbij een deel van hun energie hebben overgedragen, komen ze door terugstrooiing weer in het scintillatiekristal terecht.
Loodpiek – De loodpiek (5) bij 75 keV is röntgenstraling, afkomstig van het loden omhulsel van de bron. Een door 60Co uitgezonden foton kan een elektron vrijmaken uit de K-schil van een loodatoom. Het opengevallen ‘gat’ wordt gevuld met een elektron uit de L-schil of de M-schil. De daarbij vrijkomende energie wordt uitgezonden als een röntgenfoton, dat door het scintillatiekristal wordt gedetecteerd.