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Evaluation von Analysealgorithmen zur

  • Gammastrahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die zum Beispiel beim Zerfall radioaktiver Stoffe auftritt und besteht aus ungeladenen Photonen. Jeder dieser Gammastrahler strahlt Photonen mit einer für ihn spezifischen Energie aus, woran man ihn auch erkennen kann. So hat jeder Gammastrahler sozusagen seinen eigenen Fingerabdruck. Wenn man wissen will, welche Gammastrahler in einer Probe vorhanden sind, kann auf die Gammaspektroskopie zurückgegriffen werden. Diese misst, wie der Name schon sagt, das Spektrum, also die Energie und die Intensität, der Gammastrahlen. Aus dem daraus entstehenden Graphen kann dann anhand der Ausschläge abgelesen werden, welche Gammastrahler in der Probe enthalten sind, da sich diese über ihr Energiemaß bestimmen lassen. Die beiden grundsätzlichen Bestandteile eines solchen Gammastrahlenspektrometers sind ein Detektor und eine Strahlungsquelle, meist eine radioaktive Probe. Die Probe wird so angebracht, dass sie auf den Detektor strahlt. Dieser registriert dann die Impulse, die durch Wechselwirkung zwischen den Gammastrahlen und den Elektronen des Detektors entstehen. Es gibt zwei hauptsächlich auftretende Effekte. Der Wichtigste ist wohl der Photoeffekt. Hierbei trifft ein Photon auf ein Elektron und das Photon wird vollständig vom Elektron absorbiert, wodurch das Elektron aus seiner aktuellen Bindung, innerhalb des Atoms, gelöst wird. Dies ist der wichtigste Effekt, weil er genau die Information liefert, die gesucht wird. Das ist die exakte Energie, mit der ein radioaktives Nuklid abstrahlt. Den durch gehäuftes Vorkommen dieses Effektes auftretenden Ausschlag nennt man Photopeak. Er stellt die spezifische Energie von einem der, in der Probe vorhandenen, Gammastrahlern dar. Anhand dieses Peaks ist es letztendlich möglich die enthaltenen Gammastrahler zu identifizieren. Der zweite Effekt nennt sich Compton-Effekt. Hierbei trifft ebenfalls ein Photon auf ein Elektron. Dieses Mal wird das Photon aber nicht absorbiert, sondern gibt lediglich einen Teil seiner Energie an das Elektron ab und wird dann in einem Winkel von 0° bis 180° gestreut. Es setzt seinen Weg also mit geringerer Energie und damit größerer Wellenlänge fort. Leider ist das obige Spektrum im jetzigen Zustand noch lange nicht perfekt. Noch sind zu viele Störungen und Fehlinformationen enthalten. Zwar könnte damit gearbeitet werden, jedoch mit dem Risiko, dass eventuell Informationen verfälscht, oder sogar gar nicht ausgelesen werden. Perfekt wäre es, wenn das Spektrum komplett der x-Achse anliegen würde, vollkommen glatt, ohne Rauschen und nur die Photopeaks zu sehen wären. Ein kleiner Teil der Störungen, die das Signal beeinflussen, kann schon im obigen Teil erkannt werden. Es spielen nämlich viel mehr Effekte eine Rolle, als es im besten Fall sein sollten. Einer der Störeffekte zum Beispiel, ist der bereits oben erwähnte Compton-Effekt. Dieser trägt nichts zum Photopeak bei, sondern liefert einen Impuls, dessen Energie bis zu einem gewissen Punkt, dieser „Punkt“ wird auch Compton-Kante genannt, unterhalb der spezifischen Energie des Photons liegt. Wenn die spezifische Energie eines Photons zum Beispiel 600keV betragen würde, dann könnte durch den Compton-Effekt eine Energie von 400keV geliefert werden. Es ist also möglich, dass angenommen wird es seien zwei unterschiedliche Gammastrahler in der Probe vorhanden. Glücklicherweise sind die Impulse, die durch den Compton-Effekt entstehen relativ gleich verteilt und erreichen kaum die Intensität eines Photopeaks. Dennoch zieht jeder Photopeak einen solchen Rattenschwanz aus schwächeren Impulsen, welche von 0keV bis zur Energie der Compton-Kante reichen, hinter sich her. Dies wird auch Compton-Kontinuum genannt. Da im niedrigeren Bereich des Energiespektrums immer mehr Compton-Kontinuen aufeinandertreffen, je nachdem wie viele Photopeaks, also unterschiedliche Gammastrahler, in der Probe vorhanden sind, bildet sich dort oft ein sichtbarer Hügel, oder eine Steigung. Umgekehrt flacht das Spektrum im höheren Bereich immer weiter ab, da 4 Abbildung 1: Beispielspektrum weniger Compton-Kontinuen vorhanden sind. Das Compton-Kontinuum trägt einen Großteil zum Untergrund bei. Der Untergrund füllt fast den kompletten Bereich zwischen Gammaspektrum und x-Achse aus. Ebenso spielt hier auch die Umgebungsstrahlung eine Rolle, welche eigentlich immer vorhanden ist und die man nur schwer ausschließen kann. Ein weiterer Störfaktor ist das in der Elektrotechnik bekannte Rauschen, welches auch im obigen Spektrum sehr gut erkannt werden kann. Dies sind nur einige Störungen, die eine Rolle spielen. Es werden somit sehr viele Störgrößen ungewollt mit betrachtet und diese Störgrößen müssen durch Werkzeuge, wie zum Beispiel Algorithmen, entfernt werden. Da ich mich in dieser Bachelorarbeit auf die Untersuchung von Algorithmen zur Bestimmung des Untergrundes beziehe, werde ich mich im Weiteren auf diese beschränken und die anderen Probleme größtenteils außer Acht lassen. Nun gibt es natürlich bereits Algorithmen, mit denen sich der Untergrund von Gammaspektren bestimmen lässt. Das Problem hierbei ist, dass diese meist nur bei bekannten Spektren funktionieren, auf die sie, mehr oder weniger, speziell zugeschnitten sind. Wenn diese Algorithmen eins zu eins auf ein unbekanntes Spektrum angewandt würden, kann es schnell vorkommen, dass die Untergrundbestimmung misslingt und weit vom angestrebten Ergebnis entfernt ist. Einen einzelnen Algorithmus zu entwickeln, der für alle Spektren einsetzbar wäre, ist aber auch keine Möglichkeit. Der Aufwand und die Kosten wären noch viel zu hoch. Außerdem würde sich keine Firma finden,welche sich an solch ein Projekt wagen würde, da auch viel zu wenige Abnehmer dafür vorhanden sind. Darum werde ich in dieser Arbeit kleinere, einfachere Algorithmen genauer untersuchen, um zu verstehen, wie sich diese auf unterschiedliche Spektren anwenden lassen. Das damit entstehende Ergebnis ist wahrscheinlich nicht perfekt, aber gut genug, um damit arbeiten zu können. Ziel dieser Arbeit ist es, zwei Algorithmen zur Untergrundbestimmung zu evaluieren und einen Überblick über folgende Themen zu geben: – Einen Ausblick über die Auswirkungen der einzelnen Parameter der Algorithmen zu geben, um zum Beispiel schnell abschätzen zu können, welcher Parameter in einem konkreten Fall verändert werden muss. – Einen groben Rahmen festzulegen, in dem die einzelnen Parameter gewählt werden können, sodass mit hoher Wahrscheinlichkeit ein gutes Ergebnis erreicht wird. – Stärken und Schwächen der Algorithmen herausarbeiten, um zum Beispiel die Verwendung eines Algorithmus auszuschließen, der sich für den beabsichtigten Zweck nur schwer oder gar nicht einsetzen ließe. 5 – Einen schnellen Überblick über die Möglichkeiten geben, um mit den Algorithmen ohne großes Vorwissen zu arbeiten.

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Metadaten
Author:Maximilian Gaag
URN:urn:nbn:de:bsz:840-opus4-1270
Document Type:Bachelor Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Hochschule Heilbronn
Granting Institution:Hochschule Heilbronn, Informatik
Release Date:2017/03/14
Tag:Algorithmus
GND Keyword:Gammastrahlung
Pagenumber:49 Seiten
Faculty:Informatik
Access Right:Frei zugänglich
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung