Alphaspektroskopie mit Photodiode BPX61

[stoppi]

Hallo!

Habe mich nach erfolgreicher Beta- und Gammaspektroskopie nun noch der Alphaspektroskopie gewidmet. Sensor ist eine Photodiode vom Typ BPX61, deren Glasfenster entfernt wurde. Das Spektrometer arbeitet an Atmosphärendruck, von daher sind die zu erwartenden Pulse natürlich geringer als im Vakuum. Aber wenn man einen bestimmten, nicht zu großen Abstand Sensor-Probe immer einhält, kann man trotzdem die Spektren miteinander vergleichen.

Wie beim Gammaspektrometer kommt die MCA-Software Theremino zum Einsatz. Zur Einspeisung der Signale in den Computer dient eine günstige USB-Soundcard.

Ein erster Test heute verlief eigentlich recht vielversprechend. Die erhaltenen Pulse besitzen scheinbar größtenteils dieselbe Amplitude, mal schauen. Ziel ist es ja, die Spektren von Americium-241 und Polonium-210 aufzunehmen mit der Hoffnung, eine geringe Verschiebung festzustellen. Die Alphaenergien sind nämlich sehr ähnlich und zwar 5.486 MeV (Am-241) bzw. 5.307 MeV (Po-210).

Ich habe ja seit Februar 2021 eine eigene Homepage. Hier findest du allerhand zum Thema Physik und Radioaktivität: https://stoppi-homemade-physics.de/

Wenn ich die ersten Spektren aufgenommen habe, geht es hier weiter 

[DG0MG]

Was meinst Du, wenn Du die Fotodiode in ein mit positiver Hochspannung beaufschlagtes Drahtgitter montierst, so dass die Diode diesemgegenüber negativ ist: Ist es dann möglich, dass Du den Zerfall von Radon als Impuls siehst? Also z.B. ein Pechblendesteinchen mit in die Blechdose, aber alphastrahlungsmäßig abgeschirmt.
Das Radon müsste sich doch durch das elektrische Feld an der Fotodiode anlagern und erst dort zerfallen?

Wäre eine interessante Ergänzung Deines Versuches.

[Peter-1]

Hallo stoppi,

vor etwa 1 Jahr habe ich auch so einen Versuch unternommen. Allerdings mit einer dafür geeigneten Si-Diode. SFH 521. Gibt es leider nicht mehr. Mit etwas höherer Spannung ~ 90 Volt sieht es noch besser aus. Es waren kleine Uhrzeiger mit Leuchtfarbe. Vor viel Jahren habe ich auch Versuche im Vakuum gemacht. Das war natürlich weit besser, aber der Aufwand ist schon viel größer.

Peter

[Curium]

Habe da auch viel experimentiert, aber dann einen PIPS Detector angeschafft, damit bekommt man brauchbare Ergebnisse!
Im Anhang Radonemanation eines Uranminerals elektrostatisch über sehr lange Zeit gefangen.

[stoppi]

Vielen Dank für eure Kommentare 

Heute war einmal das Americium-241 an der Reihe. Und was soll ich sagen,
das mehr als simple Alphaspektrometer in Kombination mit MCA-Theremino
verrichtet tolle Arbeit. Ich erhalte wie erwartet/erhofft mit
zunehmenden Abstand d immer kleiner werdende und nach links in Richtung
kleinerer Energie wandernde peaks.

Es bildet sich auch der Gamma-peak von Americium bei 59 keV aus. Damit
hätte ich nicht gerechnet bei einer Photodiode als Detektor. Wenn der
Peak beim Po-210 auch noch da ist, muss ich mir eine andere Erklärung
für ihn einfallen lassen ;-)

Der angegebene Abstand d ist allerdings nur bis zur Gehäuseaußenfläche
gemessen. Der tatsächliche Abstand der radioaktiven Quelle zum Sensor
ist also um rund 2 mm größer.

Wenn man nun die Lage der Maxima für die verschiedenen Abstände
hernimmt, kann man sogar den Energieverlauf E(x) der Alphateilchen in
Abhängigkeit von der Flugstrecke x modellieren.

Jetzt hoffe ich nur mehr, dass die Kurven für Polonium-210 leicht nach
links verschoben sind. Mal schauen, bin schon gespannt...

[Spalter]

Hallo stoppi,

sehr interessantes Projekt, danke fürs zeigen.
Ist es damit möglich auch wesentlich schwäche Alpha-Strahler wie Uranmineralien, Uranglasuren oder thoriumhaltige Linsen zu messen?
Wenn die Nuklide nicht ausschließlich an der Oberfläche sind, bekommt man dann Peaks die nach links langsamer abfallen durch die eventuelle Schwächung im Material und ist dann die Zuordnung z.B. in der kompletten U238-Reihe noch möglich?

Viele Grüße,
Spalter

[stoppi]

Peaks die nach links langsamer abfallen durch die eventuelle Schwächung im Material

Das klingt für mich sehr plausibel, Spalter.

Ich werde es noch mit Radium probieren, da habe ich 2 alte Uhrenzeiger in meinem Fundus. Ra-226 hat zum Beispiel eine Alphaenergie von 4.871 MeV.

In der Zerfallsreihe von Radium müssten folgende alpha-Energien auftreten:

4784 keV    Ra-226
5304 keV    Po-210
5489 keV    Rn-222
6002 keV    Po-218
7687 keV    Po-214

Heute habe ich die Alphaspektroskopie von Po-210 durchgeführt. Werde in den nächsten Tagen hier die Ergebnisse veröffentlichen. Soviel aber gleich vorweg: Ich habe tatsächlich für unterschiedliche Abstände (10, 15, 20, 25 mm) eine Verschiebung des Polonium-peaks in Richtung kleinerer Energie vgl. mit Americium feststellen können. Sollten ja bei gleichen Abständen immer so um die 200-300 keV weniger sein. Die Abstände Quelle-Sensor genau einzustellen, war aber nicht gerade einfach. Zumal ich bei Verwendung von Polonium sowohl die Quelle, als auch den Sensor bis auf einen dünnen Schlitz stark zukleben musste (Anm.: Natürlich nicht direkt auf dem radioaktiven Strahler). Denn sonst wären meine Zählraten viel zu hoch gewesen und die Signale wären nicht mehr brauchbar gewesen.

Bin aber positiv überrascht, wie diese Unterscheidung Polonium-Americium möglich war. Zumal der Detektor mit der Photodiode BPX61 auch mehr als einfach gehalten ist. Also benötigt man für die Alphaspektroskopie scheinbar nicht unbedingt einen teuren Halbleitersensor bzw. Vakuum.

Bis bald, stoppi

[stoppi]

Wie versprochen hier nun die Ergebnisse mit Polonium. Damit die Zählraten nicht zu groß werden, musste ich sowohl die Quelle als auch die Photodiode stark abblenden. Selbst so erhielt ich bei geringen Distanzen Zählraten um die 600 Pulse/sek. Die Quelle befindet sich geschützt in einer Aussparung, sodass die Photodiode keinerlei Kontakt zu ihr hat! Deshalb beträgt die minimale Distanz auch nur 10 mm.

Anbei ein Spektrum von Po-210 alleine bzw. im Vergleich mit Am-241 bei unterschiedlichen Distanzen. Man erkennt aber immer sehr gut die Verschiebung des Polonium-peaks in Richtung kleinerer Energie. Der Unterschied zum Americium müsste immer im Bereich zwischen 200-400 keV liegen. Ich bin mit den Ergebnissen mehr als zufrieden.

Zum Abschluss noch die Kurven E(x), welche aus den Spektren gewonnen wurden. Man sieht schön, dass sich die Kurve von Polonium unterhalb jener von Americium befindet, sprich die Energie von Polonium immer niedriger ist als von Americium. Die um 2 mm erhöhten Abstände x kommen dadurch zustande, dass sich der Sensor der Photodiode 2 mm innerhalb des Gehäuses befindet und die Abstände d immer nur bis zum Gehäuse gemessen wurden!

[stoppi]

Heute habe ich zum Abschluss noch das Spektrum meiner Radium-Uhrzeiger aufgenommen. Da die zu großen Pulse oben abgeschnitten schienen, habe ich den Pegel des Mikrofons auf nur 25% eingestellt. Beim Americium und Polonium waren es noch die vollen 100%. Nach dieser Anpassung konnte ich auch Energien > 6 MeV darstellen. Ich war positiv überrascht, als ich mehrere Peaks im Radium-Spektrum entstehen sah. Ein Vergleich mit einem Referenzspektrum aus dem Internet verlief zufriedenstellend, da auch in diesem 4 Peaks zu sehen sind.

Damit habe ich alle Messungen mit meinem Alphaspektroskop im Kasten und die radioaktiven Quellen können wieder sicher verstaut werden...

[Curium]

Hallo Stoppi,
habe mich durch Deine guten Ergebnisse mit der PIN Diode inspiriren lassen und Deine Schaltung nachgebaut,
wollte wissen wie die Ergebnisse unter Vacuum sind. Habe dazu die Schaltung und die Pin Diode mit Stromversorgung in die Vacuumkammer eingebaut.
Aussen waren trotz Abschirmung die Störeinflüsse zu gross.
Die Ergebnisse sind faszinierend.
Anbei Rauchmelder in Luft und dann Vacuum Braune und grüne Kurve).
Anbei eine Thoriumemanation mit elektrostatisch abgeschiedenem Bi212, rechts davon war allerdings die Soundkarte gesäztigt, auf die schnelle war der zweite Po Peak nicht hinzubekommen.
Dier Aufbau ist total linear, kein Equalizer notwendig, und wenn die Schicht entsprechend dünn ist, wie bei elektrostatischen Blech, ist auch der Peak astrein.
Super

[Curium]

Hab noch die Th Emanation gefahren mit anderer Verstärkung und siehe da 2 Peaks,
schön auch zu sehen, dass das Bi nur halb so hoch wie das Po ist, da nur 33% zu Bi zerfallen

[Henri]

Das Ergebnis ist ja wirklich extrem gut - für so eine einfache Diode!

Hast Du eine Vakuumkammer aus einem professionellen Alpha-Spektrometer genommen (die vom PIPS-Detektor)? Wie hälst Du das Vakuum möglichst konstant?

Viele Grüße!

Henri

[Curium]

Hallo Henri,
hab eine alte Ausschlachtkammer genommen, einen Gashahn vom Baumarkt drangeklebt,das Vakuum bleibt mehr als zwei Tage drin.
Da die Messzeiten kurz sind ist das Vakuum kein Problem.

[sh4711]

...das Vakuum bleibt mehr als zwei Tage drin....

Und als sie (eine Mitschuelerin) den Hahn oeffnete und vortrug:

"... und man merkt, wie mit hoerbarem Zischen das Vakuum entweicht..."

wurde der Kopf des Physiklehrers immer dicker und roeter. Zum Glueck war
vor ca. 45 Jahren die Pruegelstrafe bereits abgeschafft ;-).

[Henri]

...das Vakuum bleibt mehr als zwei Tage drin....

Und als sie (eine Mitschuelerin) den Hahn oeffnete und vortrug:

"... und man merkt, wie mit hoerbarem Zischen das Vakuum entweicht..."

wurde der Kopf des Physiklehrers immer dicker und roeter. Zum Glueck war
vor ca. 45 Jahren die Pruegelstrafe bereits abgeschafft ;-).

Ich habe so was ähnliches öfters mal mit elektronischen Schaltungen. Da öffnet sich dann spontan und unvorhersehbar ein Bauteil, so dass der magische Rauch entweichen kann, und ohne den funktioniert dann natürlich nichts mehr