1. GM-CSŐ KARAKTERISZTIKÁJÁNAK VIZSGÁLATA, FELEZÉSI IDŐ MEGHATÁROZÁSA

Átírás

1 . GM-CSŐ KRKTERSZTKÁJÁNK VZSGÁLT, HOLTDEJÉNEK MEGHTÁROZÁS KÉTPREPRÁTUMOS MÓDSZERREL, FELEZÉS DŐ MEGHTÁROZÁS GM-cső a legelterjedtebben asznált gázionizációs detektor az -, - és -sugárzás mérésére. gáz-ionizációs detoktoroknak árom típusát különböztetjük meg: az ionizációs kamrát, a proporcionális számlálót és a Geiger-Müller féle számláló csövet. nemvezető gázt a radioaktív sugárzás ionizálja és ezáltal elektromosan vezetővé teszi. detektorban kialakuló áramot nagymértékben befolyásolja a kamrában alkalmazott térerő. Túl kicsi térerőnél, aol az elektron és az ion kicsi sebességgel mozog az elektróda felé, még egy részük rekombinálódni (semlegesítődni) is képes. Egy adott térerő tartományban minden keletkezett ion eljut a megfelelő elektródoz, az áram független lesz a térerőtől ezt nevezzük ionizációs kamra tartománynak. z áram az ionizáló sugárzás intenzitásán kívül itt függ a sugárzás fajtájától és energiájától is. térerő további növelésével az ionok, elektronok olyan energiára gyorsulnak fel, ogy azok újabb ionizációt idéznek elő, a cső mintegy erősítő működik. z áram a radioaktív részecskék intenzitása mellett arányos lesz a részecskék energiájával is. Ezt a térerő tartományt nevezzük a proporcionális számláló tartományának. Ebben a tartományban már egyenként leet számolni a detektort ért sugár-részecskéket, illetve az áramimpulzus nagyságából következtetetünk a részecske energiájára, a részecske fajtájára. gáz-ionizációs detektorok akkor kerülnek az úgynevezett GM-tartományba, amikor a csőben olyan naggyá válik a térerő, ogy a molekulák szabad útosszán belül az elsődleges ionizáció során képződött elektronok az adott gáz ionizációs energiáját megaladó energiára gyorsulnak fel. gázmolekulák szabad útosszára vonatkozó kifejezést: RT k, () d N p (aol d a molekula átmérője, p a gáz nyomása, N az vogadro féle szám) figyelembe véve 0, MPa nyomású argonban 0 4 V/cm térerő szükséges az ionlavina kialakulásáoz. gyakorlatban kisebb nyomású töltőgázt asználnak, s így 000 V/cm körüli feszültségesésnél fog működni a cső. sorozatos másodlagos ionizációk miatt a gáztér egészére kiterjed az ionizáció, és így nagy áramimpulzus keletkezik. z áramimpulzus nagysága nem függ sem az ionizáló részecske fajtájától, sem annak energiájától. Ezen nagy impulzus következménye, ogy a csőben a térerő lecsökken a GM-tartomány alatti értékre, ami nem elégséges az

2 ionlavina fenntartásáoz és újabb részecske által kiváltott ionizáció erősítésére sem. GMcső M nagyságrendű ellenálláson keresztül kapja a tápfeszültséget, s ez késlelteti a normális üzemi feszültség visszaállását. zt az időt, amely alatt a cső eléri az eredeti feszültséget regenerálódási időnek nevezzük (450 s). cső már a regenerálódási idő letelte előtt valamennyivel már ad áramimpulzust, de kisebbet. mérő berendezés ezeket a kisebb impulzusokat is képes észlelni. zt az időt, ami aoz szükséges, ogy az első ionlavina után a következő ionizáló részecske észlelető nagyságú jelet szolgáltasson, oltidőnek nevezzük. Nagysága 00 s körüli az adott GM-csőre jellemző érték, ismerete nagyon fontos, mivel ez szabja meg az elérető maximális számlálási sebességet. gényesebb munkánál és nagyobb számlálási sebességeknél a kapott eredményt a oltidő miatti veszteséggel korrigálni kell. GM-cső üzemi feszültségét a karakterisztika méréssel atározzuk meg, azaz egy adott radioaktív preparátum számlálási sebességét megmérjük a csőre adott különböző feszültségnél. számlálási sebesség (egyszerűbben maga a mérési idő alatt regisztrált beütések száma) a feszültség függvényében ábrázolva adja a cső karakterisztikáját. Egy GM-cső karakterisztikája. Mint az ábrából látató 670 és 870 V között elyezkedik el egy lineárisan emelkedő szakasz, ezt nevezzük platónak. Hossza esetünkben 00 V. munkafeszültséget a plató első /3-ába célszerű megválasztani, azaz 670+(00/3)=740 V (kerekítve). plató meredeksége is

3 3 jellemző a cső minőségére. meredekséget ebben az esetben nem abszolút értékben (cpm/v) adjuk meg, anem relatív egységben: %/00V-ban. Esetünkben ez a következő lesz: meredekség *00 *00 = 8,5 %/00 V meredekség 5 5 %/00 V között szokott lenni, az alacsonyabb ( V) munkapontú alogén-gáz töltésű csövekben nagyobb, míg a szerves kioltó adalékot tartalmazó nemesgázokkal töltött csöveknél kisebb. plató ossza fordítva változik, a alogénes csöveké rövidebb (00-00 V). sokat asznált csöveknél a plató ossza rövidül, a meredekség nő. Egy cső általában impulzus regisztrálására képes, ennyi az élettartama. Vigyázat a cső akkor is dolgozik, amikor az impulzusok számlálása éppen nem működik! karakterisztika kimérése után a nagyfeszültséget csökkentsük le, akár a preparátumot is vegyük ki a számláló cső alól annak kímélése céljából! karakterisztika felvétele smerkedjen meg a számláló-berendezés kezelőszerveivel! Keresse meg a nagyfeszültség állítására szolgáló potenciométert! Ez általában 0 fordulatos potenciométer, egy kis ablakban az egész fordulatot, a tárcsán a /00 fordulatot olvasatja le. legtöbb berendezésen ezzel a potenciométerrel V között állítatja a feszültséget úgy, ogy például az 5,00 érték 000 V-ot jelent! Keresse meg a mérési idő beállítására szolgáló kapcsoló(ka)t. Állítsa be a kívánt mérési időt -0 percet. készülék jelnagyság analizátorát (diszkriminátort) állítsuk integrális üzemmódra és a vágási szintet minimum 0,5 V-ra vegyük az elektronikus zaj kiszűrése céljából. radioaktív mintát elyezze be a GM-cső alá a védő toronyba, a magasságot úgy kell megválasztani, ogy a mért számlálási sebesség 0000 és 0000 impulzus/perc között legyen a GM-cső munkapontján. Laboratóriumban az a szokás, ogy minden mérőberendezést az optimális üzemi paraméterekre állítva agyunk ott. Így a gyakorlat elején jól tudja ellenőrizni a minta elyes magasságát. karakterisztika felvételéez a nagyfeszültséget csökkentse olyan kicsire, aol a számlálás már megszűnik, és erről az értékről növelje akkorára, ogy már éppen számláljon a műszer, de 0 Voltra kerek érték legyen. Egy-egy feszültségen áromszor mérje meg a számlálási sebességet. Majd növelje a feszültséget 0 40 V-tal, és ismét mérjen árom páruzamosat. feszültség növelés lépését úgy célszerű megválasztani, ogy 5 0 pont

4 4 megadja a teljes karakterisztikát. Ha nagy lépéseket választ, nem lesz szép a görbéje, a túl kicsiket, akkor a mérése fog túl osszúra nyúlni. feszültség növelését addig kell folytatni, míg a platóban tapasztalató viszonylag egyenletes növekedés után egy gyorsabb növekedést mutató szakaszoz nem ér. Ebben a tartományban nem szabad sokáig folytatni a feszültség növelését, mert az nagyon árt a GM-csőnek, élettartamát jelentősen csökkenti. Ha úgy dönt, ogy a karakterisztika felvételét befejezte, a nagyfeszültséget állítsa kisebbre, a becsült munkapont körülire, s az adatok feldolgozásának, a görbe megrajzolásának idejére a preparátumot vegye ki a toronyból! számlálási sebességek átlagait ábrázolja a csőre adott feszültség függvényében. Állapítsa meg a plató osszát, a munkapont feszültségét és a plató meredekségét. Értékelje a cső minőségét, elasználtságát! oltidő megatározása. Ha egységnyi idő alatt a mért számlálási sebesség, s minden impulzus után ideig észlelésre képtelen állapotban volt a GM-cső, akkor ideig nem működött a cső, illetve a mérés valós ideje - volt. Ezért a valós * számlálási sebesség: *. () feloldási vagy oltidőt leggyakrabban az úgynevezett kétpreparátumos módszerrel atározzák meg. Olyan speciális preparátum tartót és preparátumot választanak a mérésez, amelyek biztosítják, ogy a preparátumok jól reprodukálató módon legyenek elelyezetőek a mérőberendezésben. Meg kell mérni a áttér, az egyik és a másik, illetve a két preparátum együttes számlálási sebességét (,,,, ). preparátumok számlálási sebességén itt a preparátum és a áttér együttes számlálási sebességét kell érteni, ellentétben a szokásos szóasználattal, amikor egy preparátum számlálási-sebességén a áttérrel korrigált értéket értjük. oltidő okozta veszteség miatt az + =, + egyenlőség nem áll fent. oltidőre korrigált számlálási sebességekre igaznak kell lennie az előbbiez asonló egyenlőségnek:. (3) * * * *, Helyettesítsük be a fenti kifejezésbe minden tagra a () korrekciós formulát:,. (4),

5 5 (4) egyenletből kifejezető, de eléggé bonyolult képletet ad. Ha kicsi a számlálási sebesség, azaz a korrekció csak -%, a nagyobb atványon szereplő tagok elanyagolásával az alábbi közelítő formulát kapjuk:,,. (5) z elanyagolás nélküli pontos megoldás a következő:. 3 4,,, (6) számolást egyszerűsíteti, a a számlálókban szereplő kifejezést és a nevezőkben szereplő különbségek szorzatát új változóknak veszi. mai nemzetközi gyakorlat megkívánja, ogy egy kísérletileg megatározott mennyiségnek a ibáját is megadjuk. Egy számlálási sebesség ibáját a mért ismételt adatok alapján statisztikai módszerrel számítatjuk. z ismételt mérésekből a mérés szórása: n n j j. (7) z átlag ibája pedig: n i. értékét legegyszerűbben a zsebszámoló statisztikus programjával leet kiszámítani. Ezek általában kétféle szórást adnak, s és jelöléssel, melyek csak abban különböznek, ogy a négyzetgyök alatt n-, illetve n szerepel osztóként. ibával terelt adatokból számolással kapott oltidő ibája a részeredmények ibájából számolató. oltidő ibája a következő kifejezéssel kapató meg:,,,,,,,,,,,, Ez a képlet egyszerűbben számolatóvá teető a következő átalakítással: Legyen,, valamint B,. Ezen segédváltozókkal a oltidő ibája: B B B,, (8)

6 6 ( kifejezésekben i az i sorszámú minta átlagos számlálási sebességét, i átlagának ibáját jelenti. Állítsa a GM-cső karakterisztika mérés alapján kiválasztott munkapontra a detektor nagyfeszültségét. Helyezze a toronyba a detektor alá megfelelő távolságra a speciális kettős mintatartót. z egyik elyre tegye be az egyik aktív mintát, a másikra egy inaktív tálkát. Ez utóbbi azt a célt szolgálja, ogy a visszaszórási feltételeket azonosan tudjuk tartani. Mérjük meg a számlálási sebességet 3 0-szer az aktivitástól és a kívánt pontosságtól függően. Ez után az inaktív tálka elyére tegye be a másik preparátumot úgy, ogy a bent maradó minta változatlan elyzetben maradjon. Mérje meg a két minta együttes számlálási sebességét. Vegye ki az elsőnek mért mintát, s elyére tegye be az inaktív tálkát és mérje meg a második preparátum számlálássebességét. Ennek mérése után csak az inaktív tálkával mérje meg a készülék átterét. zsebszámoló gép statisztikus programjának asználatával számolja ki az átlagokat, a szórásokat és az átlagok ibáit. Ezek felasználásával atározza meg a oltidőt a (6) és annak ibáját a (8) kifejezés alapján. (4) kifejezés azonosságát ellenőrizze a kapott oltidő figyelembe vételével. mérőberendezés adatlapjára jegyezze fel a megállapított munkafeszültséget, a plató meredekségét és a oltidőt annak ibájával együtt. kapott adatok alapján próbálja meg eldönteni, ogy alogénes vagy szerves kioltógázzal töltött GM-csővel van-e dolga, s az mennyire van elasználva? 37m Ba magizomer felezési idejének megatározása. száma: radioaktív bomlás törvénye szerint a t időpontban még el nem bomlott magok, () aol az illető mag bomlására jellemző állandó. bomlási állandó elyett szívesebben asználják a felezési időt, ami azt adja meg, ogy egy adott számú mag fele mennyi idő alatt bomlik el. felezési idő és a bomlásállandó kapcsolata:

7 7. () z N számú mag által képviselt aktivitás nagyságú. Egy radioaktív preparátum mérésénél az aktivitással arányos számlálási sebességet mérjük: kk, aol K n az egy bomlásra eső sugár-részecskék számát jelenti, k pedig a detektálás atásfokát. Ha a mérés során az arányossági tényezőket állandó értéken tudjuk tartani, az () kifejezést a számlálási sebességre is alkalmazatjuk: n t 0 e. (3) bomlási állandó megatározására a (3) kifejezés linearizált formáját asználatjuk: ln ln t. (4) 0 konkrét mérésnél a számláló berendezésünk akkor is mutat egy bizonyos számlálási sebességet, a nem tettünk oda semmilyen radioaktív anyagot sem. Ezt nevezzük a számláló átterének ( ). Így a számlálón kapott m adatokra az () összefüggés a következő formában írató: m t 0 e. (5) z (5) kifejezést nem leet a (4) lineáris formává alakítani csak az m - különbséget: ln T ln. (6) m 0 Természetesen a (4) kifejezés alapján a felezési időt csak abban az esetben tudjuk kellő pontossággal megatározni, a a bomlást akkora ideig követjük, ami alatt a kezdeti aktivitás legalább tizedére csökkent. Ez másképpen azt jelenti, ogy egy gyakorlat ideje alatt a perc nagyságrendű felezési időket tudjuk megatározni. z ilyen rövid felezési idejű izotópot a mérés előtt frissen kell előállítani, vagy anyaelemétől elkülöníteni. Erre a célra nagyon jó a tórium bomlási sorozatában szereplő 08 Tl (TC ), ami a Bi -bomlásával keletkezik. z - részecske visszalökő atására a keletkező Tl magok egy része a gáztérbe lökődik, aol elektromos térrel egy másik fémlemezen összegyűjtető és bomlása GM-csöves méréssel követető. Egy másik szóba jöető izotóp a 30 év felezési idejű 37 Cs-ból -bomlással

8 8 képződő 37m Ba, melynek -sugárzása szcintillációs detektorral kényelmesen mérető. 37m Ba megfelelő generátorról egyszerűen leoldató. mérés gyakorlati kivitele. 37 Cs izotópot kálium-kobalt-exaciano-vas() komplexez kötve egy kicsi kromatográfiás oszlop tartalmazza. Ba leányelemet a komplex nem köti szilárdan, íg salétrom-sav oldattal az oszlopról lemosató. gyors elválasztás érdekében az oldatot injekciós fecskendővel mozgatjuk egy T csap megfelelő elyzetbe fordítása után. fecskendőbe 3 4 cm 3 savoldatot kell felszívni, majd a csap átfordítása után a mérő edénybe átnyomni. z edényt fedje le a tetejével és elyezze bele a mérésre előkészített számláló üreges Na(Tl) szcintillációs detektorába. mérés kényelmesebbé tételét szolgálja a számlálóoz kapcsolt nyomtató. számlálón 0,5 perc mérési időt válasszon, a mérési mód kapcsolóját a folyamatos mérést jelző körkörös állásba tegye. preparátum beelyezése után a start gomb megnyomásával elindul a mérés. z eredmény kinyomtatása és a számláló újra indítása csak 0,05 s idő kiesést jelent, ezt első közelítésben figyelmen kívül agyatjuk. z aktivitás csökkenését legalább 0 felezési idő leteltéig mérjük. beütés szám n felezési idő eltelte után -n részére csökken az eredetinek. -0 0,00 azaz a az első mérésadatunk 0000 nagyságrendű volt, akkor 0 felezési idő után tízes nagyságrendű lesz a maradék beütésszám. Ez kisebb, mint a készülék áttere, a valóságban között állapodik meg a beütésszám. Ez nagyobb leet a készülék átterénél, mivel a bárium leoldásánál a Cs anyaelemből is oldódat egy csekély mennyiség. Hogy ennek pontos nagyságát megatározassuk, a mérést célszerű tovább folytatni. szennyezés nagyságát az utolsó 0 0 adat átlaga és a készülék külön megmért átterének különbsége adja. felezési idő megatározásáoz a (6) összefüggésnek megfelelően ábrázoljuk az adatainkat, azzal a különbséggel, ogy nem a átteret, anem az utolsó 0 0 adat átlagát vonjuk le minden időpontban kapott beütésszámból. különbséget vagy logaritmikus beosztású papíron ábrázoljuk, vagy az Ln értéküket normál milliméterpapíron rajzoljuk fel. kapott egyenes meredeksége adja az izotóp bomlási állandóját. bból kiszámolatjuk a felezési időt. Hasonlítsa össze a számított és az izotóp táblázatból kiolvasott felezési idők értékét! Számítsa ki a mintába került 37 Cs szennyezés %-os értékét!