Hxx Radioaktivität

Motivation

Historisch wurde "radioaktive Strahlung" - so wie auch viele andere Phänomene - nicht theoretisch vorhergesagt, sondern experimentell entdeckt. Wir wollen hier einen ähnlichen Weg gehen, verwenden dazu aber einen modernen Detektor, wie er in aktuellen Experimenten der Kern- und Teilchenphysik, aber auch in der Medizin, der Werkstofftechnik oder Raumfahrt eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um einen feingranular segmentierten Halbleiterzähler mit 256x245 300µm dicken "Pixeln" von je 55x55 µm² Fläche, einen miniPIX Detektor, der einen am Teilchenphysik-Zentrum CERN in Genf entwickelten Timepix Chip der Medipix Kollaboration enthält.

Das Funktionsprinzip dieses Teilchendetektors ist ähnlich zu dem einer Fotodiode, einer Solarzelle oder den Pixeln in einer Digitalkamera: in der ladungsträgerfreien Schicht eines pn-Übergangs zwischen p- und n-dotiertem Silizium werden durch die Wechselwirkung mit Strahlung Elektron-Loch-Paare erzeugt, die mit Hilfe eines Verstärkers als Stromfluss nachgewiesen werden. Die Anzahl der Ladungsträger ist dabei proportional zur von der Strahlung in der sensitiven Schicht deponierten Energie. In anderen Materialien, z.B. auch im Gewebe Ihres Körpers, deponiert Strahlung Energie, die ja - wie Sie aus der Strahlenschutzbelehrung wissen - die Grundlage für Einheit Sv (Sievert) bildet und zur Beurteilung der Gefährdung durch Strahlung verwendet wird.

Mit dem miniPIX-Detektor kann die Wechselwirkung von Strahlung in Materie - ähnlich zu den Spuren in einer Nebelkammer - direkt sichtbar gemacht werden. Weil die Dichte von Silizium ca. 2000 mal größer ist als die von Luft, sind die Spuren im Si-Detektor entsprechend kürzer, nur einige µm bis Zehntel-Millimeter im Vergleich zu einigen Millimetern bis Dezimetern.

Wegen der hohen Empfindlichkeit des miniPIX-Detektors ist es möglich, quantitative Ergebnisse schon mit natürlicher Radioaktivität von schwach radioaktiven Gesteinsproben zu erzielen, die eine geringe Anzahl von einigen Zehn Zerfallsprodukten pro Sekunde abgeben, d.h eine Aktivität von einigen Zehn Bq (Bequerel = 1 Zerfall/s) haben.

Da Sie im Studium bisher noch keine Veranstaltungen zur Kern-, Teilchen- oder Detektorphysik gehört haben, sollten zur Vorbereitung auf diesen Versuch Ihr Wissen aus der Schulphysik und aus der Strahlenschutzbelehrung zu diesem Praktikum (re-)aktivieren. Sie haben von verschiedene Strahlenarten wir Infrarot-, Ultraviolett-, Gamma-, Röntgen-, Alpha- und Beta-Strahlung und vielleicht sogar kosmischer Strahlung gehört. Sie kennen vom Prinzip her die Funktionsweisse von Halbleiter-Fotodioden oder Solarzellen. Möglicherweise haben Sie auch schon den Versuch zum Fotoelektrischen Effekt durchgeführt und vom "inneren Fotoeffekt" gehört ? Recherchieren Sie die erwähnten Begriffe als Vorbereitung auf diesen Versuch. Schauen Sie sich auch Bilder von Teilchenspuren in Nebelkammern an, z.B. über den Link Nebelkammer Wikipedia.

Lernziele

Sie können die verschiedenen Strahlenarten an Hand ihrer Signaturen im Pixeldetektor klassifizieren.
Sie kennen die wichtigsten Eigenschaften der verschiedenen Arten von radioaktiver Strahlung.
Sie besitzen grundlegende Erfahrung im Umgang mit radioaktiven Präparaten.
Sie verstehen, wie radioaktive Strahlung mit Materie in Wechselwirkung tritt.

Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau wird mit dem miniPIX Detektor durchgeführt. Außer dem auf einer Schiene montierten Detektor mit Kühlung durch ein Peltier-Element werden noch radioaktive Proben benötigt, die Sie vom Tutor erhalten. Sie können so verschiedene Strahlenarten anschauen und Absorbermaterialien zwischen Präparat und Probe anbringen.

Was macht diesen Versuch aus?

Dieser Versuch zählt sicher zu den spannendsten Versuchen des P2, weil Sie hier eine Art physikalischer Experimente kennenlernen, die Sie so noch nie durchgeführt haben. Sie gehen erstmals mit radioaktiven Stoffen um, deren Strahlenarten Sie detailliert mit einem modernen Detektor untersuchen.

Tatsächlich steht die Untersuchung der radioaktiven Präparate im Rahmen der Kernphysik gar nicht im Vordergrund dieses Versuchs. Sie müssen über die Art und Weise, wie radioaktive Prozesse tatsächlich ablaufen also noch nicht viel wissen. Wir verwenden radioaktive Materialien aus der Umwelt sowie künstliche Präparate hier im Grunde nur als Quellen hoch-energetischer Strahlung.

Versteht man das Zustandekommen der verschiedene Signaturen im Detektor, so kann man auf die grundsätzliche Art der Wechselwirkung verschiedener Typen von Strahlung mit Materie zurückschließen und verstehen, wie radioaktive Strahlung Materie auf atomarer Ebene beeinflusst. Es wird klar, wie man die verschiedene Strahlungsarten abschirmen, voneinander unterscheiden und für kontrollierte Experimente nutzen kann. Ein weiterer, nicht unwesentlicher Aspekt sind auch Einsichten zum Strahlenschutzes bei Anwendungen radioaktiver Strahlung im Labor oder auch in der Medizin und anderswo.

Wichtige Hinweise

Die Kernphysik-Räume stellen einen innerbetrieblichen Überwachungsbereich dar. Dies bedeutet, u.a. dass wir zu Ihrer Sicherheit permanent die auftretende Strahlendosis in diesen Räumen aufzeichnen. In einem innerbetrieblichen Überwachungsbereich gelten nach der Strahlenschutzverordnung des Bundes besondere Regeln, die Sie unbedingt beachten und einhalten müssen. Mehr Information finden Sie auf den entsprechenden Webseiten des P1- und P2-Praktikums.
Die Versuche der Kernphysik dürfen erst nach Teilnahme an der Strahlenschutzbelehrung durchgeführt werden, die in der Regel während der Vorbesprechung zum Praktikum stattfindet.
Der Zugang zum Bunker für radioaktive Präparate ist nur den Tutor:innen oder der Praktikumsleitung gestattet.
Bringen Sie zur weiteren Verwertung der aufgezeichneten Daten einen USB-Stick oder anderweitigen Datenträger mit.