CASSY Lab 2 - Institut für Experimentelle Kernphysik

Anhang
CASSY Lab 2
Szintillationszähler
Mit einem Szintillationszähler (559 901) kann die Energie von γ-Strahlung bestimmt werden. Die Strahlung produziert
durch Wechselwirkung mit dem Szintillatorkristall Lichtblitze, die ein Photo-Vervielfacher in einen Spannungsimpuls
wandelt. Die Anzahl der emittierten Photonen und damit die Impulshöhe sind proportional zur γ-Energie. Zur Impulshöhenanalyse
wird ein Vielkanal-Analysator (VKA) verwendet, z. B. die VKA-Box am Sensor-CASSY.
Zur Energiebestimmung von α-Strahlen ist ein Halbleiterdetektor geeignet.
NaI(Tl)-Szintillatoren
Ein gebräuchliches Material zum Bau von Szintillatonszählern ist NaI(Tl). Die Dotierung mit Thallium (Tl) dient zur
Erzeugung von Leuchtzentren. Durch den Iod-Anteil (Z=53) ist die Nachweiswahrscheinlichkeit für γ-Strahlung sehr
hoch. Der Nachweis der von einer Quelle emittierten γ-Quanten erfolgt durch Energieübertrag auf Elektronen des
NaI, die im Szintillatorkristall abgebremst werden. Dabei werden Paare von besetzten Zuständen im Leitungsband
und unbesetzten Zuständen im Valenzband des Kristalls ausgelöst. Die Zahl dieser Elektronen-Loch-Paare ist proportional
zur absorbierten Energie, da zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares immer die gleiche Energie benötigt
wird. Die in den Kristall eingebundenen Thallium-Atome werden durch Wechselwirkung mit den beim Abbremsen
des primären Elektrons entstandenen Löchern ionisiert. Nach anschließender Rekombination mit einem Elektron
emittieren sie Photonen mit einer Energie zwischen 2,9 und 3,1 eV. Die Zahl der Photonen ist damit proportional zur
absorbierten Energie.
Der NaI-Kristall ist transparent für die emittierten Photonen. Deren Absorption durch andere Thallium-Atome ist sehr
unwahrscheinlich, da diese nur in geringer Konzentration vorhanden sind. Da es sich um einen Einkristall handelt,
gibt es keine Streuung an Korngrenzen im Kristall. Im übrigen ist der Kristall lichtdicht gekapselt und mit einem gut
reflektierenden Material umgeben. Ein großer Teil der Emissionsphotonen erreicht also die aufgesetzte Photokathode
des Photo-Vervielfachers. In der Photokathode lösen die Emissionsphotonen Elektronen aus. Anschließend wird
der Elektronenstrom durch Erzeugung von Sekundärelektronen in einer hintereinander geschalteten Reihe von Dynoden
lawinenartig verstärkt. Der Verstärkungsfaktor für jeweils eine Dynodenstufe hängt u.a. von der Potenzialdifferenz
zwischen den Dynoden und vom Dynodenmaterial ab. Die Dynodenpotenziale werden an einem Spannungsteiler
abgegriffen, an dem eine thermisch und langzeitstabile Hochspannung liegt. Auf die Anode gelangt eine zur Photonenzahl
proportionale Ladungsmenge, deren Abfließen über einen Arbeitswiderstand ein Spannungssignal erzeugt.
Dies ist proportional zur Ladung, wenn die Abfallzeitkonstante des Ausgangsimpulses deutlich größer ist als die Zeitkonstante
für die Lichtemission der angeregten Thallium-Atome (t = 0,23 κs). Insgesamt ist die Impulsamplitude damit
proportional zur absorbierten Strahlungsenergie.
Dieser Spannungspuls wird dann ausgewertet, z. B. mit einem System aus VKA-Box, Sensor-CASSY und der Software
CASSY Lab auf einem PC.
Die Energie einfallender Strahlung wird nicht immer komplett im Szintillationskristall umgesetzt, sondern kann auch
teilweise entweichen, wie beim Compton-Effekt.
Achtung
� Der NaI(Tl) Einkristall in der Spitze des Szintillationszählers ist empfindlich gegen mechanische Beschädigung.
� Ebenso ist der NaI(Tl) Kristall empfindlich gegen schnelle Temperaturwechsel, wie sie z. B. beim Auspacken
nach Transporten auftreten können.
In beiden Fällen entstehen Risse im Einkristall, die aufgrund der Streuung zu verminderter Empfindlichkeit führen und
vor allem die Energieauflösung verschlechtern.
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