Thorium 234 in Uranglasur ?

[DL8BCN]

ok, Etalon, dann ist mir einiges klarer. Wie man sieht, gibt es sogar an so einem vermeintlich "einfachen" Spektrum einiges an "Interpretationsbedarf".
Das Thema Gammaspektroskopie ist wirklich super interessant.
Und eigentlich unglaublich, was wir hier als Laien zeigen können

 

[Peter-1]

Angeregt durch die vielen Infos zu UO2 habe ich nun noch einmal eine kleine Probe UO2 ( schwarzes Pulver ) auf mein Kristall gelegt. Alles erklärbar bis auf den Peak unter 20 keV. Wer kann eine Erklärung geben? Die 2,5cm Bleischirmung ist zum NaI mit > 3mm Cu ausgelegt.
Peter

[etalon]

Angeregt durch die vielen Infos zu UO2 habe ich nun noch einmal eine kleine Probe UO2 ( schwarzes Pulver ) auf mein Kristall gelegt. Alles erklärbar bis auf den Peak unter 20 keV. Wer kann eine Erklärung geben? Die 2,5cm Bleischirmung ist zum NaI mit > 3mm Cu ausgelegt.
Peter

Wie wäre es mit der U-L_beta1 Röntgenlinie bei rund 17 keV? Die U-L_alpha1 Röntgenlinie bei rund 14 keV scheint als kleiner Buckel im Slope auch noch angedeutet (kann aber auch schlechte Statistik sein)...

[DL8BCN]

Ich messe mit meinem 63mm x63mm NaI(TI) Kristall nur über 20 keV, weil ich denke, dass es darunter fragwürdig ist.
Ist aber nur ein Gefühl von mir, weil ich von Gammaspektroskopie wenig Ahnung habe.

[Curium]

@etalon: Klar, die energieabhängige Detektoreffizienz macht das ganze komplizierter, aber die Unterscheidung von abgereichertem Nachkriegsuran von Vorkriegsglasuren mit Natururan ist mit dem Verhältnis Th234/U235 mit der Hobbygammaspektroskopie und dem von mir zitiertem Rechenweg problemlos möglich, und das will man ja machen, recht viel mehr ist sowieso nicht drin.

[etalon]

@etalon: Klar, die energieabhängige Detektoreffizienz macht das ganze komplizierter, aber die Unterscheidung von abgereichertem Nachkriegsuran von Vorkriegsglasuren mit Natururan ist mit dem Verhältnis Th234/U235 mit der Hobbygammaspektroskopie und dem von mir zitiertem Rechenweg problemlos möglich, und das will man ja machen, recht viel mehr ist sowieso nicht drin.

Hast du das schon mal belastbar gemacht?
Bei ähnlicher Messanordnung an ein und dem selben Detektor im direkten Vergleich - vielleicht. Aber selbst da habe ich erhebliche Zweifel, ein paar 1/10% mehr oder weniger U-235 nachzuweisen.

Es ist selbst mit komplett kalibrierten HPGe's nur mit erheblichem Aufwand möglich, den Anreicherungsgrad von Uran einigermaßen genau zu bestimmen. Daher glaube ich an solche 1/10% Messungen mit unkalibrierten Szintillatoren nicht. Lasse mich aber gerne vom Gegenteil überzeugen... 

Gerade in dem Energiebereich da vorne ändert sich die Efficiency mit der Energie extrem. Daher diese außen vor zu lassen, halte ich für nicht gangbar. Ich habe mir mal vor ner ganzen Weile den Spaß gemacht, und in der Arbeit mit dem Raysid-Spielzeug mal yellow cake (natürliches Isotopenverhältnis) und auf 3-4% angereichertes Uran gemessen. Da bin ich bei der Unterscheidung kläglich gescheitert, obwohl es sich hier um Unterschiede im %-Bereich handelt. Aber wahrscheinlich bin ich auch nur zu doof dazu...   

Wenn ich die Spektren noch finde, dann kannst du ja mal raten, was was ist 

[Curium]

Ja, hab ich gemacht, mir geht es doch nicht um den Absolutwert, den man nicht genau bestimmen kann mit dieser Anordnung, klar; das abgereicherte Uran (0,3% U235)hat deutlich weniger U235, das ändert dann das Verhältnis der Peakflächen Th234/U235, und wenn halb soviel 235 enthalten ist, kann man das im direkten Vergleich zweier Keramiken nachweisen.Die Analyse auf ein 1/10% geht natürlich nicht. Und bei einer Vergleichsuntersuchung spielt die Detektoreffizienz auch keine entscheidende Rolle. Ich sage das doch nur für einen Vergleich, natürlich nicht für ein Analyse des Absolutwertes, der Unterschied ist immerhin über 100% (0,7%vs 0,2-0,3%). Und warum soll sich das nicht an den Peakflächen bemerkbar machen??? Versteh ich nicht??? Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[etalon]

Ja, hab ich gemacht, mir geht es doch nicht um den Absolutwert, den man nicht genau bestimmen kann mit dieser Anordnung, klar; das abgereicherte Uran (0,3% U235)hat deutlich weniger U235, das ändert dann das Verhältnis der Peakflächen Th234/U235, und wenn halb soviel 235 enthalten ist, kann man das im direkten Vergleich zweier Keramiken nachweisen.Die Analyse auf ein 1/10% geht natürlich nicht. Und bei einer Vergleichsuntersuchung spielt die Detektoreffizienz auch keine entscheidende Rolle. Ich sage das doch nur für einen Vergleich, natürlich nicht für ein Analyse des Absolutwertes, der Unterschied ist immerhin über 100% (0,7%vs 0,2-0,3%). Und warum soll sich das nicht an den Peakflächen bemerkbar machen??? Versteh ich nicht??? Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

Da ich nur von relativen Werten gesprochen habe, geht es mir auch nicht um absolute Werte (Prozentangaben sind immer relativ  ).
Auf was ist denn dein Bildchen normiert? Oder soll mir das sagen, dass alle Schüsseln die selbe Zählrate am Detektor hatten?

Ich habe jetzt mal die Bildchen einiger Spektren zusammengesucht, welche ich wie oben beschrieben mal in der Arbeit aufgenommen habe. Sind alle mit dem selben Raysid entstanden, also was den Detektor betrifft vergleichbar. Zur Auswahl stehen ein Uranglas, 2x angereichertes Uran (3-4% U-235) und yellow cake (natürliches Isotopenverhältnis). Welches Spektrum gehört zu was?

1.)

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2.)

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3.)

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4.)

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Ganz grundsätzlich:

Natürlich kann man im direkten Vergleich mit gleichem Detektor, vergleichbarer Probenmatrix, geeigneter Normierung und vergleichbarer Messgeometrie sehen, ob eine Peakfläche nur halb so groß ist. Aber dazu muss eben alles zufällig stimmen oder sich gegenseitig kompensieren! Was ist, wenn dein Detektor die 63 keV Photonen nur halb so gut nachweisen kann, wie die 185 keV Photonen? Was ist, wenn die 63 keV Photonen in der Probe erheblich mehr abgeschirmt werden, als die 185 keV Photonen? Was ist, wenn der 93 keV Peak einen erheblichen Anteil an Röntgenstrahlung enthält? Wie gut wird dessen Energie im Vergleich zu den anderen Energien im Detektor nachgewiesen? etc...
Das wirkt sich doch alles auf die Peakflächen aus! Und nur, weil bei einer Messung zufällig näherungsweise 0,7% U-235 Anteil rechnerisch herauskommt (wie in deinem Verlinkten Beispiel), so ist das doch noch lange kein Beweis dafür, dass man mittels unkalibrierter Messungen mit einem Szintillator den Grad der Abreicherung bestimmen kann, auch nicht im Vergleich zweier Spektren mit unterschiedlichen Eingangsparametern. Das mag ab und an zufällig stimmen, und eine Glasur ist, was einige Punkte betrifft, dahingehend sicher auch gutmütiger als andere Messgüter, aber das als belastbare Methode zur Unterscheidung von Isotopenverhältnissen im 1/10% Bereich (das sind 0,7% vs 0,3%  ) zu proklamieren und daraus zu schlussfolgern, dass es sich um abgereichertes Uran handelt, da gehe ich nicht mit.

Hier habe ich auch noch das Bild einer Messung in einem Auswerte-Programm gefunden. Da kannst du ja mal nach der von dir geschilderten Rechnung den relativen Anteil an U-235 berechnen. Bin gespannt, was raus kommt (habs nicht nachgerechnet):

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P.S. Die Energiekalibrierung vom Raysid kann man vergessen, aber die Peaks, um die es hier geht sind alle zuzuordnen.

Ich werde nachher mal noch was zu den gezeigten Spektren schreiben...

[Curium]

Das Auswertespektrum zeigt ein Flächenverhältnis 94kev zu 63kev von 5,3, die Branchingratio von 94kev zu 63kev ist 4,9% :3,6%=1,36. Der verwendetete Detektor zeigt im Bereich von 63 und 94kev einen sehr grossen Unterschied in der Effizienz (Faktor 5), das ist bei mir lange nicht so extrem. Mein 2inch Kristall bildet die beiden Thorium Peaks sehr ähnlich ab.  Daher kann man wohl nur den 94er zur berechnung verwenden. Ich komme da auf 0,145% U235. (Fläche 185er U235 x 0,57 branchingratio U235 : Fläche Th234 94er x branchingratio 0,049). Das Ergebnis N235 / N238 = A235 / A238 x λ238 / λ235 = A235 / A238 x 0,158 =0,145%.
Wenn man sich die Detektoreffizienz mit folgendem Bild anschaut, so ist die Detektoreffizienz bei einem 2 inch Kristall im Bereich 63,94,185 gar nicht so verschieden.

[etalon]

Das Auswertespektrum zeigt ein Flächenverhältnis 94kev zu 63kev von 5,3, die Branchingratio von 94kev zu 63kev ist 4,9% :3,6%=1,36. Der verwendetete Detektor zeigt im Bereich von 63 und 94kev einen sehr grossen Unterschied in der Effizienz (Faktor 5), das ist bei mir lange nicht so extrem. Mein 2inch Kristall bildet die beiden Thorium Peaks sehr ähnlich ab.  Daher kann man wohl nur den 94er zur berechnung verwenden. Ich komme da auf 0,145% U235. (Fläche 185er U235 x 0,57 branchingratio U235 : Fläche Th234 94er x branchingratio 0,049). Das Ergebnis N235 / N238 = A235 / A238 x λ238 / λ235 = A235 / A238 x 0,158 =0,145%.
Wenn man sich die Detektoreffizienz mit folgendem Bild anschaut, so ist die Detektoreffizienz bei einem 2 inch Kristall im Bereich 63,94,185 gar nicht so verschieden.

Hmm, eine Abreicherung auf 0,145% U-235? Das scheint mir nicht so ganz plausibel. DU liegt so um die 0,3%. Was käme denn mit der 63 keV-Linie raus?

Das Bildchen der Effizienzverläufe gilt dann, wenn dein Messgut sich innerhalb des NaI befindet. Dann kannst du die Wahrscheinlichkeit ablesen, bei welcher Schichtdicke ein Photon in Abhängigkeit seiner Energie komplett im NaI absorbiert wird. Das entspricht nicht ganz dem Effizienzverlauf einer Detektoranordnung, wie wir sie verwenden.

Hmm, will sich niemand an der Zuordnung der Spektren versuchen?

[Curium]

Mit der 63kev Fläche komme ich ich auf 0,56%. Ich glaube das Auswertespektrum blockiert (Abschirmung?) den 63kev und daher ist der unterrepräsentiert, oder wieso ist da Faktor 5 Unterschied??? Es müssten doch eigentlich die höheren Energien durch den Krisall durchgehen, die Detektoreffizienz nimmt doch mit steigenden Energien ab, wenn ich das richtig verstanden habe??? Ist halt doch nicht so einfach?

[etalon]

Mit der 63kev Fläche komme ich ich auf 0,56%. Ich glaube das Auswertespektrum blockiert (Abschirmung?) den 63kev und daher ist der unterrepräsentiert, oder wieso ist da Faktor 5 Unterschied??? Es müssten doch eigentlich die höheren Energien durch den Krisall durchgehen, die Detektoreffizienz nimmt doch mit steigenden Energien ab, wenn ich das richtig verstanden habe??? Ist halt doch nicht so einfach?

Ich fürchte, das passt auch nicht. Ich werde dann mal auflösen, da offenbar keiner lust zum Rätseln hat...   

Erst mal zu den Spektren:

1.) angereichertes Uran
2.) yellow cake
3.) Uranglas
4.) angereichertes Uran

Worauf möchte ich hinaus? Die Spektren des EU und des YC sind sehr ähnlich. Anhand der Peakflächenverhältnisse kann man weder beim einen, noch beim anderen auf den Anreicherungsgrad schließen.
Wie @Curium schon bemerkt hat, sind die Verhältnisse der Th-234 Peaks bei 63 keV und 93 keV weit unterschiedlicher, als es ihre Übergangswahrscheinlichkeiten vermuten lassen. Da alles mit dem selben Detektor gemessen wurde, können wir die Detektoreffizienz erst mal außen vor lassen. In diesem Fall sind es hauptsächlich die Uran Röntgenlinien, welche den 93 keV Peak deutlich mehr Impulse bescheren, als er aufgrund der Übergangswahrscheinlichkeiten haben dürfte. Außerdem wirkt sich die abschirmende Wirkung durch das schwere und dichte Uran auch auf die Größe des 63 keV Peaks aus. Das sieht man vor allem an den Spektren 1 und 4. Bei dem Spektrum 4 war die Größe der EU-Probe in allen drei Raumdimensionen ungefähr doppelt so groß wie in Spektrum 1. Dadurch wird gerade die niederenergetische 63 keV Linie innerhalb der Probe deutlich effektiver abgeschirmt, als die 185 keV Linie des U-235. Man kann das an den Verhältnissen der beiden Linien sehen. Der Anreicherungsgrad beider Proben war ungefähr der Selbe.

Auch beim Spektrum des YC sieht man den dominierenden Anteil der U-Röntgenquanten, welcher eine Rückrechnung eigentlich unmöglich macht. Dem gegenüber hat das Uranglas fast keinen Anteil an Röntgenquanten. Das liegt daran, dass das Glas nur einen sehr geringen U-Anteil hat, so dass die damit einhergehend geringe Aktivität nicht ausreicht, viel U-Ka zu erzeugen. Daher ist hier auch das Verhältnis der Th-234 Peaks eher das, was man aufgrund der Übergangswahrscheinlichkeiten erwarten würde. Auch die Eigenabschirmung des dünnen Glases ist weit geringer für die niederenergetischen Linien. Bei allen Spektren kommt aber auch noch die Detektoreffizienz und die Effizienz der Messanordnung zum Tragen, so dass unterschiedliche Energien auch unterschiedlich gut detektiert werden. Wie @Curium schon geschrieben hat, wird die Effizienz hin zum Hochenergetischen schlechter, da die Gammaquanten mit zunehmend geringerer Wahrscheinlichkeit ihre gesamte Energie im Kristall deponieren. Allerdings sinkt die Detekoreffizienz auch zum niederenergetischen hin wieder ab, da die niederenergetischen Photonen ja auch erst mal das Detektorvolumen erreichen müssen, um dort detektiert werden zu können. Diese geben aber schon in der Detektorummantelung und anderen Strukturmaterialien einen Teil bis alles ihrer Energie ab, so dass ihr Nachweis hin zum Niederenergetischen immer unwahrscheinlicher wird.

Alle diese Effekte sind sehr variabel und meist von Messung zu Messung unterschiedlich. Teilweise addieren sie sich, manchmal kompensieren sie sich. Aber eines ist sicher: Das was man vermeintlich einfach als sicheren Nachweis für den Anreicherungsgrad von Uran proklamiert, passt vielleicht in seltenen Fällen mal zufällig, aber ein allgemeingültiges Verfahren ist das ganz sicher nicht. Ich hoffe, ich konnte etwas näher bringen, warum ich so skeptisch war/bin. Wenn es wirklich so einfach wäre, dann würde niemand den aufwändigen mathematischen und messtechnischen Aufwand betreiben, um Anreicherungsgrade gammaspektrometrisch zu ermitteln, wie das im professionellen Bereich gemacht wird.

Und das ist auch die Lösung für das Spektrum in der Auswertesoftware. Auch hier ist es ein starker Beitrag der Röntgenquanten gepaart mit der Eigenabsorption der niedrigen Energien innerhalb der Probe und die nicht berücksichtigte Gesamteffizienz des Messaufbaus, welche ein Vorgehen wie in der verlinkten Berechnungsvorschrift zum scheitern verurteilt.

Schade, dass keiner einen Versuch der Zuordnung gemacht hat. Bislang hatte ich das Gefühl, dass Ratespielchen hier zuweilen gerne angenommen werden... 

[Curium]

Ich vergleiche ja nicht YC und EU und will den absoluten U235 Gehalt an Hand der Peakflächen berechnen, das geht nicht aus oben dargestellten Gründen, das ist mir jetzt klar.
Worum es in dieser Diskussion doch ging, war der Vergleich zweier Uranglasuren, hier ist die Schichtdicke der Keramikglasur sehr ähnlich, der Uransalzgehalt (Uranglas ganz anders) wohl ähnlich, der Detektor der Gleiche, die oben dargestellten Effekte mit Selbsabsorbtion und Röntgenemission wohl sehr ähnlich bei gleicher Messgeometrie eines gleich grossen Scherbens, und es geht um einen relativen Vergleich bei über 100% Unterschied (0,7vs0,3%),warum sollte das nicht gehen? Man muss schon bei der gleichen Zubereitung bleiben, also nicht zB. Uranglas vs Uranglasur.

[etalon]

Ich vergleiche ja nicht YC und EU und will den absoluten U235 Gehalt an Hand der Peakflächen berechnen, das geht nicht aus oben dargestellten Gründen, das ist mir jetzt klar.
Worum es in dieser Diskussion doch ging, war der Vergleich zweier Uranglasuren, hier ist die Schichtdicke der Keramikglasur sehr ähnlich, der Uransalzgehalt (Uranglas ganz anders) wohl ähnlich, der Detektor der Gleiche, die oben dargestellten Effekte mit Selbsabsorbtion und Röntgenemission wohl sehr ähnlich bei gleicher Messgeometrie eines gleich grossen Scherbens, und es geht um einen relativen Vergleich bei über 100% Unterschied (0,7vs0,3%),warum sollte das nicht gehen? Man muss schon bei der gleichen Zubereitung bleiben, also nicht zB. Uranglas vs Uranglasur.

Ja, wie hier schon geschrieben:

...
Bei ähnlicher Messanordnung an ein und dem selben Detektor im direkten Vergleich - vielleicht. Aber selbst da habe ich erhebliche Zweifel, ein paar 1/10% mehr oder weniger U-235 nachzuweisen.
...

Wenn alle Messparameter gleich sind, dann kann man über eine Vergleichsmessung feststellen, dass in einer Glasur mehr U-235 enthalten ist als in einer anderen, mehr aber auch nicht. Aber mal ehrlich, wann sind alle Messparameter schon gleich? Das variiert doch schon mit der Ausdehnung und Beschaffenheit des Messobjekts.

Alles darüber hinausgehende, wie hier angeführt:

...
https://physicsopenlab.org/2017/06/30/gamma-activity-measures/
Ein schöner Artikel auch zum rechnen des Alters einer Glasur an Hand Th234, funktioniert astrein!
...

@etalon: Klar, die energieabhängige Detektoreffizienz macht das ganze komplizierter, aber die Unterscheidung von abgereichertem Nachkriegsuran von Vorkriegsglasuren mit Natururan ist mit dem Verhältnis Th234/U235 mit der Hobbygammaspektroskopie und dem von mir zitiertem Rechenweg problemlos möglich, und das will man ja machen, recht viel mehr ist sowieso nicht drin.

Sehe ich aus angeführten Gründen kritisch. Damit ist meinerseits eigentlich alles gesagt.

[Curium]

Danke für die interessante Diskussion, hat mir viel gebracht !!! LG Bertrand