Beta-Rückstreuung

Strahlenschutzpraktikum Stand Juni 2012
Rückstreuung
Hintergrund
Dringen Elektronen aus einem Beta-Strahler in ein Material ein, so werden sie abgelenkt und zwar
umso stärker je höher die Ordnungszahl des Materials ist. Ein Teil dieser Elektronen wird durch
Mehrfachstreuprozesse so stark abgelenkt, dass die Elektronen wieder zurückgestreut werden. Hinzu
kommt bei Materialien höherer Ordnungszahl die Bremsstrahlung., die die Ortsdosisleistung in
Rückwärtsrichtung weiter erhöht. Diese Effekte werden z.B. zur Füllstandsmessung und zur
Bestimmung der Beschichtung von Materialien in Industrie und Technik genutzt. Da an Stoffen
kleiner Ordnungszahl wenig Rückstreuung und kaum Bremsstrahlung auftritt, werden solche
Materialien bevorzugt für Strahlenschutzeinrichtungen bei Beta-Strahlung benutzt. Hier soll die
Abhängigkeit der Betarückstreuung von der Ordnungszahl des Rückstreumaterials untersucht werden.
Versuchsmaterialien
- Strahler: Sr-90, 74 kBq
- (gasgefüllte) Impulssonde 18526 D und Dosisleistungsmessgerät Graetz X5 DE
- Holzplatte (zur Abschirmung)
- diverse Rückstreuplatten (Kohlenstoff, Aluminium, Eisen, Blei)
- doppeltlogarithmisches Papier (zur graphischen Auswertung der Versuchsergebnisse)
Versuchsaufbau
Für die Geometrie des Versuchsaufbaus siehe Abbildung. Die Geometrie sollte so optimiert werden,
dass einerseits die Rückstreurate maximal aber der Untergrund („Leckstrahlung“) minimal wird.
Nachdem für ein rückstreuendes Material (z.B. Kohlenstoff) die Geometrie optimiert wurde, darf sie
nicht mehr verändert werden. Der Detektor des Dosisleistungsmessgeräts ist eine gasgefüllte
Impulssonde („Proportionalzählrohr“) mit dünnem Fenster aus Glimmer, die empfindlich auf Alpha-,
Beta- und Gammastrahlung reagiert. Das Dosisleistungsmessgerät wird als Impulsratenmessgerät
(„Ratemeter“) genutzt, d.h. es wird im Modus „Imp/s“ betrieben. Strahler und Impulssonde werden
in Halterungen eingeklemmt
Strahlungsquelle und Detektor werden durch eine Holzplatte von ca. 2 cm Mindestdicke voneinander
abgeschirmt. Gegenüber dem Strahler und dem Detektor werden verschiedene Platten aus
unterschiedlichen Materialien und damit mit unterschiedlicher Kernladungszahl Z gebracht. Sr-90 ist
ein ß- Strahler und die Dicke der Holzplatte ist so gewählt, dass keine Strahlung direkt die Holzplatte
durchdringen kann. Ohne die Rückstreuplatten (aber mit Strahler) wird nur der Nulleffekt (incl.
etwaiger Leckstrahlung, Rückstreuung durch die Luft, Rückstreuung durch umliegende Medien etc.)
gemessen.
Impulssonde
(Rückstreuplatte)
Abstand Rückstreuplatte-Strahler: ca. 2-4cm
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Rückstreuung
Aufgaben
• Messen Sie zunächst den Nulleffekt ohne den Strahler.
• Setzen Sie den Strahler ein und messen Sie den Nulleffekt erneut um nachzuprüfen, ob
die Holzplatte ausreichend abschirmt, ggf. optimieren Sie die Geometrie. Dieser
Untergrund (mit Strahler) kann etwas höher liegen als jener ohne Strahler, sollte aber
nicht größer sein als der doppelte Nulleffekt (ohne Strahler). Setzen Sie in einer
Orientierungsmessung Kohlenstoff als Rückstreuer ein und optimieren Sie den
Abstand des Kohlenstoffs von Strahler und Detektor, so dass die Rückstreurate
maximal wird. Notieren Sie die Lage der Kohlenstoffplatte und verändern Sie die
Geometrie nicht mehr.
• Nun setzen Sie sukzessive die verschiedenen Rückstreuplatten ein und bestimmen Sie
jeweils die Zählraten. Dabei achten Sie darauf, dass die Messgeometrie -
insbesondere der Abstand Platte-Strahler bzw. Platte-Impulssonde - nicht geändert
wird! Vor dem Beginn jeder neuen Messreihe warten Sie ca. 1 min, damit der
Ratemeter sich auf die neue Impulsrate einstellen kann.
• Ermitteln Sie die Nutzraten indem Sie von den beobachteten Zählraten den Nulleffekt
(mit Strahler ! ) subtrahieren und tragen Sie auf linearem und auf
doppeltlogarithmischem Papier die Nutzrate als Funktion der Ordnungszahl des
rückstreuenden Materials auf. Prüfen Sie, ob näherungsweise die Rückstreurate
proportional zur Wurzel aus der Ordnungszahl des rückstreuenden Materials ist. Für
die Fehlerbetrachtung beachten Sie das Fehlerfortpflanzungsgesetz.
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Rückstreuung
Bestimmung des Nulleffekts N 0
Das Dosimeter ist - falls die Impulssonde eingestöpselt ist - automatisch so eingestellt, dass es
Impulse/second (imps) misst. Diese Einstellung wird beibehalten. Die eigentliche Messung beginnt
jeweils 60s nachdem eine Änderung an der Versuchsanordnung vorgenommen wurde und die
Impulsraten sich stabilisiert haben (d.h. dass sie um einen Mittelwert schwanken). Danach wird das
Dosimeter über einen Zeitraum von ca. 100s alle 20 s abgelesen und in Tabelle 1 die Impulsraten
notiert. Der Strahler darf sich hierbei noch nicht in der Nähe befinden. Aus den Daten ist der
Mittelwert und die Standardabweichung zu berechnen.
Bestimmung des Nulleffekts N 0
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert:
___________________
Standardabweichung
∑ ( x − x)
2
S
0
=
i
= ___________________ Tab. 1
n −1
Nulleffekt N 0 = __________±_____________ (ohne Strahler)
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Rückstreuung
Bestimmung des Untergrundes N 0S mit Strahler
Nun wird der Versuch wiederholt, wobei aber der Strahler montiert wurde. Optimieren Sie die
Geometrie, damit die Impulsraten nicht zu hoch sind. Ein doppelter Nulleffekt (ohne Strahler) darf
nicht überschritten werden. Haben Sie eine optimale Geometrie gefunden, darf sie nicht mehr geändert
werden. Warten Sie ca. 1 min bevor die Messreihe beginnt.
Bestimmung des Nulleffekts N 0S
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert: _______________
∑ ( x − x)
2
Standardabweichung S
0
=
i
= ___________________ Tab. 2
n −1
Nulleffekt N 0S = __________±_____________ (mit Strahler)
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Rückstreuung
Bestimmung der Rückstreuungsrate der verschiedenen Materialien
1. Kohlenstoff (Braunkohle)
Die Braunkohlenbriketts sind so anzubringen, dass die rückgestreuten Elektronen den Detektor mit
möglichst maximaler Impulsrate erreichen können. Die vordere Position der Briketts ist auf einem
darunter liegenden Papier zu markieren, damit die übrigen Platten in exakt die gleiche Position
gebracht werden können. Die Position des Strahlers, des Detektors und die der Holzabschirmung darf
nicht geändert werden. Die eigentliche Messung wird genau wie beim Untergrund N 0S (mit Strahler)
durchgeführt
Bestimmung der Rückstreurate N C durch Kohlenstoff
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert: _________________
Standardabweichung
∑ ( x − x)
2
S
0
=
i
= ___________________ Tab. 3
n −1
Rückstreuung Kohlenstoff N C = __________±_____________
5

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Rückstreuung
2. Aluminium
Die Aluminiumplatte wird an die markierte Stelle gebracht. Die Messung wird genau wie beim
Kohlenstoff durchgeführt.
Bestimmung der Rückstreurate N Al durch Aluminium
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert: __________________
Standardabweichung
∑ ( x − x)
2
S
0
=
i
= ___________________ Tab. 4
n −1
Rückstreuung Aluminium N Al = __________±_____________
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Rückstreuung
3. Eisen
Die Eisenplatte wird an die markierte Stelle gebracht. Die Messung wird genau wie beim Kohlenstoff
bzw. Aluminium durchgeführt.
Bestimmung der Rückstreurate N Fe durch Eisen
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert:____________________
Standardabweichung
∑ ( x − x)
2
S
0
=
i
= ___________________ Tab. 5
n −1
Rückstreuung Eisen N Fe = __________±_____________
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Rückstreuung
4. Blei
Die Blei wird an die markierte Stelle gebracht. Die Messung wird genau wie beim Kohlenstoff,
Aluminium bzw. Eisen durchgeführt.
Bestimmung der Rückstreurate N Pb durch Blei
n x i [imps] x i - (x i - ) 2
1
2
3
4
5
Mittelwert: ___________________
Standardabweichung
∑ ( x − x)
2
S
0
=
i
= ___________________ Tab. 6
n −1
Rückstreuung Eisen N Pb = __________±_____________
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Rückstreuung
4. Bestimmung der Rückstreurate als Funktion der Ordnungszahl
Von den mittleren Zählraten („Bruttoraten“) für die 4 Materialien wird jeweils der
Untergrund N 0S (d.h. der Nulleffekt mit Strahler) abgezogen, um die jeweiligen
Nettorückstreuraten zu erhalten, und diese werden anschließend zusammen mit den
Fehlerbalken als Funktion der Ordnungszahl des Rückstreumaterials aufgetragen. Bzgl.
des Messfehlers ist die „Fehlerfortpflanzung“ zu beachten, d.h. der Gesamtfehler σ in der
Nutzrate setzt sich aus den Einzelfehlern von (Brutto)Messwert und Untergrund zusammen
wie σ = Sqrt( σ 1 ² + σ 2 ²) .
Die Abhängigkeit der Rückstreuung von der Ordnungszahl des rückstreuenden Materials,
bei verschiedenen Beta-Strahlern zeigt folgende Abbildung. Benutzt man zur Darstellung
doppelt-logarithmisches Papier, so sollte sich nahezu eine Gerade ergeben.
Prüfen Sie, ob näherungsweise die Rückstreurate proportional zur Wurzel aus der
Ordnungszahl des Rückstreumaterials ist. Tragen Sie die Abhängigkeit sowohl auf linearem
als auch auf doppelt-logarithmischem Papier auf.
Material
(Ordnungszahl)
Kohlenstoff
(6)
Aluminium
(13)
Eisen
(26)
Blei
(82)
Abhängigkeit der Rückstreuung von der Ordnungszahl
Messwert Untergrund Nutzrate
(Bruttorate) Imp/s Imp/s
Imp/s
Standardabweich. 1)
σ (Imp/s)
Tab. 7
1) Gesamtfehler in der Nutzrate
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