Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

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Death
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#91 Beitrag von Death »

Irgendwann steht mal die CIA bei dir vor der Tür :hehe:

:mrgreen:

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gamerpaddy
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#92 Beitrag von gamerpaddy »

gabs mal bei sparkfun als kit, man musste nur die tritium ampullen wo anders bestellen wegen den exportbeschränkungen.
https://www.sparkfun.com/products/retired/14773

kommerziell gibts das auch als IC
https://citylabs.net/products/

kapazität wohl vergleichbar mit einer 18650 zelle, ca 10..15Wh. (60µW über 20 jahre)
:wurst:

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stoppi
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#93 Beitrag von stoppi »

@Death: Wundert mich selbst, dass noch niemand bei mir vorbeigeschaut hat. Ist aber alles für den Physikunterricht... ;)

@gamerpaddy: Danke für die links. Die kommerziellen Nuklidbatterien kannte ich schon. Die sind aber schweineteuer. Die größere in deren Programm liefert 100µW. Das wäre mehr als genug für meine Verhältnisse (bräuchte um die 7µW). Ich befürchte aber, dass das mit dem betriebenen Taschenrechner nichts wird. Denn ich habe einmal mit nur einer Solarzelle und nur einem Tritiumlicht den Kurzschlussstrom bestimmt. Dieser liegt leider bei nur 20nA. Wenn ich 3 Lichter und 2 Solarzellen verwende, müsste ich einen Strom von 120nA erhalten, was aber noch immer um den Faktor 50 zu wenig ist :|
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#94 Beitrag von stoppi »

Während ich auf die weiteren Tritiumlichter warte, habe ich einmal untersucht, ob ich eine vom Tritium ausgehende Strahlung mit meinem Geigerzähler (alpha/beta/gamma Zählrohr ZP1401) detektieren kann. Und in der Tat, die Zählrate stieg von rund 28 Impulsen/min auf ca. 140 Impulse/min. Dabei dürfte es sich aber nicht um die Betastrahlen handeln, die registriert werden, sondern um die Bremsstrahlung der max. 18 keV schnellen Elektronen.
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#95 Beitrag von stoppi »

Die beiden weiteren Tritiumlichter sind überraschend schnell aus China eingetroffen. Also 3 Stück umschlossen von 2 Taschenrechner-Solarzellen liefern einen Kurzschlussstrom von immerhin 0.24 µA. :awesome:

Dann wollte ich die Quellspannung messen. Da ja ein Multimeter im Voltbereich "nur" einen Innenwiderstand von rund 10 MOhm besitzt und dies in diesem Fall zu wenig wäre, habe ich das Voltmeter in Serie an einen 1 GOhm Widerstand geschlossen. Eine Kalibrierung am Netzgerät bei 10V lieferte einen Spannungsteiler von rund 80-fach. Schließe ich nun die beiden parallel geschalteten Solarzellen an, so erhalte ich nach Umrechnung eine Quellspannung im Bereich von 0.7V.

Komischerweise erhalte ich, wenn ich das Multimeter direkt mit den Solarzellen verbinde, eine höhere Klemmspannung von 0.995V :? Eigentlich müsste ich im ersten Fall bei einem deutlich höheren Lastwiderstand von ca. 1 GOhm eine höhere Klemmspannung = Quellspannung erhalten...

Dem werde ich noch auf dem Grund gehen.

Für die Werte Quellspanung = 1V und Kurzschlussstrom = 0.24 µA erhalte ich eine maximale Leistung meines Atomkraftwerks von sagenhaften 0.06 µW = 1/4 * Quellspannung * Kurzschlussstrom :hihi:
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Count-Doku
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#96 Beitrag von Count-Doku »

Hi,

interessante Ergebnisse. Zu dem Spannungsverhalten, kann es sein, dass die Alufolie mit der du die Solarzellen umwickelt hast, die Kontakte kurzschließt? Auf dem oberen Bild sieht es auch, als wären die Kontakte nicht mit Klebeband umwickelt.

lg,
count-doku

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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#97 Beitrag von stoppi »

@Count-Doku: Danke für deinen Hinweis. Das Photo entstand allerdings bevor ich dann noch alles mit Klebeband isolierte.

Habe nun einen anderen hochohmigen Widerstand (320 MOhm) zur Bestimmung der Quellspannung verwendet. Um das Teilerverhältnis zu bestimmen, habe ich ihn in Serie mit dem Voltmeter zunächst an 10V angeschlossen. Das Multimeter zeigte dann 0.346V, was einem Faktor von 28.9 entspricht.

Schließe ich nun mein "Kernkraftwerk" an, so leifert das Voltmeter eine Spannung von 0.04V. Mit dem obigen Faktor ergibt sich daher eine Quellspannung von 1.156V. Das passt schon deutlich besser als der viel zu geringe Messwert davor. Schließe ich nur das Voltmeter mit seinen rund 10 MOhm Innenwiderstand an, "bricht" die Spannung bereits auf 1.0V ein.

Mit einer Quellspannung von 1.156V und einem Kurzschlussstrom von 240nA liefert mein AKW bescheidene 0.07µW :mrgreen:

Hier gibt es eventuell noch hellere Tritiumlichter: https://www.survivalgear.nl/nl/betaligh ... torch.html

Deren Kauf spare ich mir aber, da ich bei diesem Modell die Solarzellen nur einseitig betreiben könnte und dadurch der Helligkeitsvorteil wohl wieder hinüber wäre...

Ich warte aber noch auf Digitalthermometer (https://www.aliexpress.com/item/1908286744.html), welche ebenfalls mit nur einer Knopfzelle betrieben werden und hoffentlich noch stromsparender sind als meine Taschenrechner. Große Hoffnung habe ich aber nicht...
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#98 Beitrag von stoppi »

Zwei Projekte sind zum Thema Radioaktivität noch ausständig. Zum einen der Protactiniumgenerator und dann ein Versuch zum Thema Betaspektroskopie.

Alphastrahlen besitzen de facto nur eine einzelne, vom radioaktiven Isotop abhängige Energie. Dadurch und durch die vielen notwendigen Stöße (Stichwort Gesetz der großen Zahlen) kommen sie an Luft immer gleich weit (siehe abgebildetes Rasierpinselmuster).

Bei Betastrahlen ist dies anders. Hier wird die beim radioaktiven Zerfall frei werdende Energie auf das entstehende Betateilchen (= Elektron) UND das ebenfalls gebildete Neutrino (genauer Anti-Elektron-Neutrino) aufgeteilt. Deshalb kommen alle Energien der Betastrahlung von 0 bis zu einem Maximalwert vor. Bei Strontium-90 beträgt diese Maximalenergie zum Beispiel 546 keV, bei Yttrium-90 immerhin 2282 keV.

Die Betaspektroskopie ermittelt nun genau die Elektronenintensität in Abhängigkeit von der Energie. Normalerweise sollte der Graph in der Mitte zwischen 0 und E_max ein Maximum aufweisen.

Wie kann man nun die Energie der emittierten Elektronen bestimmen? Nun das geht eigentlich ganz einfach. Elektronen besitzen ja eine elektrische Ladung, die sog. Elementarladung e. Bewegen sie sich durch ein äußeres Magnetfeld B, so wirkt auf sie die Lorentzkraft F_L = q * v x B. Diese Kraft, welche immer normal auf den Geschwindigkeitsvektor v steht, bewirkt, dass sich die Elektronen innerhalb des Magnetfelds auf Kreisbahnen mit dem Radius r bewegen.

Je schneller sich die Elektronen bewegen bzw. je größer ihr Impuls p = m*v ist, umso größer ist der Radius der Kreisbahn. Bei unendlich großen Impuls (v = c, relativistische Masse = unendlich) bewegen sie sich defacto gerade weiter und der Bahnradius wird auch unendlich groß.

Letztendlich lässt sich eine Formel aufstellen, die die (relativistische) kinetische Energie der Elektronen in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel alpha angibt. Man misst mit einem Geigerzähler dann bei verschiedenen Ablenkwinkeln die Zählrate und erhält somit die Teilchenintensität in Abhängigkeit von der Energie, sprich das Betastrahlen-Spektrum, voila...

Man kann dies nun auf zwei Arten experimentell umsetzen: Erstens mit einem konstanten, vorgegebenen Bahnradius r, dafür mit einem in der Stärke veränderlichen Magnetfeld. Oder eben, so wie ich es vorhabe, mit einem konstanten Magnetfeld (verwende 2 Scheibenmagnete mit 70mm Durchmesser) und veränderlichen Bahnradius r. Dazu muss ich dann den Geigerzähler schrittweise um die Scheibenmagnete drehen.

Für das Experiment benötigt man:
* Einen Betastrahler: Diesen habe ich bereits und zwar Strontium-90, welches in den ebenfalls Betastrahler Yttrium-90 zerfällt.
* Scheibenmagnete: Hier habe ich welche mit 58mm bzw. 70mm Durchmesser bereits bestellt
* Bleiblenden zur Strahlbildung der Betastrahlen: Walzblei habe ich auch...
* Geigerzähler + Zähler: Hier kommt mein kürzlich gebauter Geigerzähler mit dem Endfensterrohr ZP1401 zum Einsatz.
* Magnetfeldsonde: Hier stehen mir 3 selbstgebastelte Messgeräte von µT über mT bis hin zu 2.5T zur Verfügung.

Für R = 3.5 cm und B = 0.05 T wäre der bei Yttrium-90 minimal zu erwartende Ablenkwinkel alpha = 22° und für Strontium-90 alpha = rund 55°. Diese Werte würden sehr gut passen. Mal schauen, was die Praxis liefert... ;)
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#99 Beitrag von Death »

Kann immer wieder nur den Hut ziehen :hehe:

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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#100 Beitrag von stoppi »

Danke, Death...

Scheibenmagnete sind eingetroffen und ein erster Teil des Aufbaus steht bereits. Brauche noch einige Kleinigkeiten wie Flügelmuttern und 21mm-Rohrhalterungen.
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#101 Beitrag von stoppi »

Die Halterung für den Betastrahler inkl. Bleikollimator ist auch fertig. Habe nun auch die Flussdichte mit meinem Teslameter bestimmt. Im Innenraum habe ich schön homogene 0.15T und knapp außerhalb fällt die Flussdichte schnell auf 0T ab.

Durch die erhöhte Flussdichte (erste Simulation mit 0.05T) erhalte ich nun höhere Energien bei einem bestimmten Ablenkwinkel alpha. Demnach müsste für 2200 keV der minimal zu erwartende Ablenkwinkel im Bereich von 60° liegen.

Habe die Energie in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel einmal relativistisch und einmal klassisch mit Ekin = 1/2 * m * v^2 berechnet. Wie zu erwarten war, stimmen beide Werte für (sehr) geringe Energien (= große Ablenkwinkel) immer mehr überein.
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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#102 Beitrag von stoppi »

Kurzer Zwischenbericht: Habe nun den Aufbau mit meinem Geigerzähler getestet und was soll ich sagen, die Zählrate beginnt wirklich bei ca. 60° Ablenkwinkel zu steigen. :awesome:

Warte jetzt nur noch auf die Halterungen für den Geigerzähler und dann muss ich den Betastrahler auch noch seitlich mit Walzblei abdecken, damit die Elektronen nicht auf direkten Weg ins Zählrohr gelangen und dadurch die Messwerte verfälschen.

Sehr interessante Seite inkl. Simulation und pdf-Datei zum Thema Betaspektren: http://www.mabo-physik.de/beta_spektrum.html

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Re: Experimente mit radioaktiver/kosmischer Strahlung

#103 Beitrag von stoppi »

Habe eine Messserie mit dem Betaspektroskop aufnehmen können. Und wenn ich mir so das im Internet veröffentlichte Spektrum von Strontium-90 und Yttrium-90 ansehe, dann sind meine Ergebnisse nahezu ident. :awesome:

Der Graph beginnt etwa bei 2300 keV (E_max von Yttrium-90 = 2282 keV) wie zu erwarten war zu steigen und besitzt bei Energien < 500 keV durch das Strontium-90 (E_max von Strontium-90 = 546 keV) ein weiteres Maximum.

Gekostet hat mich der ganze Spaß rund 240 Euro. Bei einem Lehrmittelanbieter muss man stolze 5200 Euro dafür hinblättern... :shock:
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