LABORATÓRIUMI GYAKORLAT. Alfa-, béta-, gamma-sugárzások mérése

Átírás

1 LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Alfa-, béta-, gamma-sugárzások mérése (Bódizs Dénes BME Nukleáris Technikai Intézet 2006) 1. BEVEZETÉS Környezetünkben számos radioaktív izotóp fordul elő. Ezek egy része természetes, más része mesterséges eredetű. Valamely radioaktív izotóp bomlása során, az atommagból származó sugárzásnak, három fő típusba lehet: - α-sugárzás: kétszeres pozitív töltéssel rendelkező He ionok (He atommagok). Bár energiájuk viszonylag nagy ( 3-8 MeV), hatótávolságuk nagy tömegük és töltésük miatt kicsi, akár egy papír lap, vagy néhány cm levegő réteg is elnyeli őket ; - β-sugárzás: elektronok, melyek szintén az atommagból lépnek ki. Hatótávolságuk nagyobb, pl. levegőben energiájuktól függően 1 2 m és a - γ-sugárzás: mely nagy energiájú elektromágneses sugárzás (fotonok). Intenzitásuk gyengítésére nagy rendszámú és sűrűségű anyagokat (Pb, beton) használnak. A radioaktív sugárzások detektálása az emittált sugárzás és az anyag (detektor) közötti kölcsönhatáson alapszik. A kölcsönhatás formája a sugárzás fajtájától, energiájától ill. az anyag tulajdonságaitól (rendszám, sűrűség) függ. A detektorok nagy része az ionizációt és gerjesztést hasznosítja és elektromos impulzusokat szolgáltat (elektromos detektorok). 2. ELMÉLETI ÖSSZEFOGLALÁS A jelen mérés célja, alapvető ismereteket szerezni a radioaktív sugárzások méréstechnikája területén és megismerkedni a széles körben alkalmazott egyik gáztöltésű Geiger-Müller (GM) cső sugárzásmérő detektorral. A GM cső gyakran alkalmazott detektor, pl. a sugárvédelemben, az ipar különböző területein, a környezetvédelemben, stb. Működési elvéből következően a gázerősítést hasznosítja, aminek következtében érzékeny, egyszerű felépítésű elektronikus jelfeldolgozó egységeket igényel, ezért viszonylag olcsó berendezés készíthető vele. Egy ilyen mérőműszerrel a különböző radioaktív sugárzások fajtája (α, β, γ ), intenzitása, általa okozott dózis illetve valamely radioizotóp aktivitása, felezési ideje, stb. határozható meg. A GM cső a gáztöltésű (vagy működési elvük alapján: gázionizációs) detektorok családjába tartozik. Már a 20. század első felétől alkalmazzák, mint az első ún. elektromos detektorok egyikét. A GM cső felépítését szemlélteti az 1. ábra

2 1.ábra. A GM cső felépítése A GM csöveknek igen sok típusa használatos. Leggyakoribb formájuk a hengeres kialakítás, amit az 1.ábra is szemléltet. Az egyik elektród a katód - egy fém henger, ami általában földelt (0V). Ennek tengelyében húzódik egy vékony drót szál az anód - ami pozitív feszültségű. A henger hermetikusan lezárt és belsejében valamilyen, rendszerint 1 bar alatti nyomású, gázkeverék (pl. Ar + halogén) van. A katódhenger egyik végén a kis hatótávolságú β-, α-részecskék miatt - egy vékony (kb. 0,1 mg/cm 2 ) belépőablakot alakítanak ki, pl. csillámból, vagy műanyag fóliából. A katód henger és az anód szál közé több száz V feszültséget (U 0 ) kapcsolnak. Ennek hatására az anódtól r távolságban a csőben kialakuló térerősség: ahol r k = a katódhenger és r a = az anódszál sugara. U 0 E = (1) r ln( r k / r a ) A detektor működése röviden a következő: a cső gázterébe belépő ionizáló részecske a gázban ionpárokat (pozitív ionok + elektronok) és gerjesztett atomokat (molekulákat) hoz létre. A térerősség hatására az elektronok az anódszál felé, a pozitív ionok a katód henger felé, gyorsulva mozognak. (Az elektronok kb. ezerszer gyorsabban, mint a pozitív ionok.) Mozgásuk során (elsősorban az elektronok) újabb ionizációt és gerjesztést okoznak. A gerjesztett atomok legerjesztődés közben fotonokat keltenek, mely fotonok a katódból fotoeffektussal újabb elektronokat váltanak ki. Ezek ismét gyorsulva haladnak az anód felé, stb. Így elektromos lavina alakul ki. Ezt a folyamatot nevezik gázerősítésnek, vagy gázsokszorozásnak. A detektor kimenetén egy elektromos impulzus jelenik meg. Erre az jellemző, hogy nagysága független a detektorba belépő részecske fajtájától és energiájától. Ebből következik, hogy GM csővel nem lehet részecske energiát mérni, csupán intenzitást, azaz a detektorba időegység alatt belépő részecskék számát. Valamilyen módon gondoskodni kell a kisülés kioltásáról, hogy a detektor újabb részecske beérkezését jelezni tuja. Ezt végzik el a töltőgázhoz néhány százalékban kevert halogén molekulák. Ezek ugyanis a keletkező fotonokat disszociáció közben elnyelik, majd újra regenerálódnak, így a kisülés megszűnik, a detektor újabb részecskét képes észlelni. A fenti folyamatokhoz időre van szükség. Azt az időintervallumot, amely egy ionizáló részecske detektorba érkezésétől addig telik el, amíg a detektor újabb részecskét képes jelezni, a detektor holtidejének (vagy feloldási idejének) nevezik. GM csövek esetében ez ms nagyságrendű. Ezért nagy intenzitások (kb cps = imp/s számlálási sebességek felett) a GM csővel nem mérhetők, illetve holtidő korrekciót kell alkalmazni

3 Meg kell még jegyezni, hogy a GM csövek hatásfoka γ-sugárzásra kb. huszad része a töltöttrészecskékre vonatkozó hatásfokának. Ennek magyarázata, hogy a γ-sugarak a (fém) katódhengerben abszorbeálódva váltanak ki elektronokat és mivel a katód általában vékony, kicsi a kölcsönhatás valószínűsége (kevés elektron keletkezik). Egy GM csővel működő mérőműszer a detektorhoz kapcsolt jelformálóból, vezérlő órával (mely a mérési idő beállítására szolgál) ellátott számlálóból, a detektor üzemi feszültségét biztosító tápegységből és adatmegjelenítőből (display) áll. A jelformáló tartalmazhat egy erősítőt, valamint a zajok levágására szolgáló áramkört (pl. integrál diszkriminátort). Az erősítő gyakran el is hagyható, mert a GM cső általában V nagyságrendű impulzusokat szolgáltat. 3. MÉRÉSI FELADATOK 3.1. GM cső karakterisztikájának felvétele A GM csöves műszerrel történő méréshez először a detektor munkaponti (üzemi) feszültségét kell meghatározni. Ez a GM cső karakterisztikájának felvételével történik. Ebből kiszámíthatók az adott cső fontos, annak jóságát jellemző paraméterei a plató és a meredekség is. A karakterisztika a GM csőre kapcsolt feszültség és a számlálási sebesség közötti függvény (2.ábra). [cps] U K = Geiger küszöb U M = üzemi feszültség M = munkapont totális kisülés n 2 n 1 M U K U 1 U M U 2 U 2.ábra. GM cső karakterisztika A GM cső karakterisztikájának kimérése: helyezzünk egy radioaktív sugárforrást (pl. 90 Sr- 90 Y) valamilyen rögzített pozícióba a cső belépő ablaka elé. Állítsunk be 1 perc mérési időt a számláló óráján és kb. 200 V detektor feszültséget (HV). Kapcsoljuk be a mérőberendezést, töröljük a számláló memóriáját, majd indítsunk el egy mérést. Növeljük a detektor feszültséget, amíg a számláló elkezd számolni. Ez a feszültség érték az indulási feszültség (U k ) Nullázzuk a számlálót és végezzünk mérési sorozatot úgy, hogy a detektor feszültséget V-os lépésekkel emeljük. Jegyezzük fel az egyes feszültség értékekhez tartozó impulzusszámot. Az impulzussszám hirtelen növekedése jelzi, hogy elértük az U 2 értékét, azaz a plató (U 1 U 2 közötti tartomány) felső végét. Azonnal csökkentsük vissza a feszültséget U 2 érték alá, mert a cső a folyamatos gázkisülés miatt tönkremegy

4 A kapott impulzusszámokat ábrázoljuk a feszültség függvényében (hasonlóan, mint az 1.ábrán látható). Állítsuk be a munkapontot a plató közepére és a továbbiakban mindig ezt a detektor feszültséget alkalmazzuk, mert a feszültség esetleges ingadozása itt okozza a legkisebb impulzusszám változást. (FIGYELEM: a mérés ideje alatt a sugárforrás helyzetén nem szabad változtatni!) Számítsuk ki a plató meredekségét a következő egyszerűsített összefüggés alapján: n2 n1 meredekség = m = *100 (%) (2). U U 2 1 Tájékoztatásul, egy GM cső jónak mondható, ha a meredekség értéke nem több mint 5 % Sugárforrások sugárzási fajtájának meghatározása A gyakorlatvezetőtől kapott három sugárforrásról (A, B, C) állapítsuk meg, hogy melyik milyen fajta sugárzást (α, β, γ) emittál. Miután beállítottuk a detektor karakterisztikájának méréséből megállapított üzemi (munkaponti) feszültséget, helyezzük az egyes sugárforrásokat külön külön a GM cső belépő ablaka elé úgy, hogy az ablak és a forrás közé a rendelkezésre álló különböző vastagságú (polietilén és ólom) abszorbenseket lehessen helyezni. Állítsunk be a számláló óráján 1 perc mérési időt és végezzünk méréseket az egyes sugárforrások és abszorbensek alkalmazásával. A mért impulzusszámok alapján állapítsuk meg, hogy az egyes sugárforrások milyen fajta sugárzásokat bocsátanak ki Cs sugárforrás aktivitásának meghatározása A GM csővel lehetséges valamely izotóp aktivitását megmérni. Ez leggyakrabban az ún. relatív módszerrel történik. Ehhez először a mérőberendezés hatásfokát kell meghatározni. Mivel a hatásfok függ a sugárzás fajtájától, ezen belül energiájától és a mérési geometriától (forrás-detektor távolság, forrás alakja), ezért alapvető fontosságú, a hatásfok kimérése hasonló típusú etalon sugárforrással és ugyanolyan mérési elrendezésben, mint a meghatározandó aktivitás mérése. A mérési feladat: egy 137 Cs-es sugárforrás aktivitásának meghatározása. Először meg kell mérni a háttérsugárzást nagyságát (h cps). Ezt követően helyezzünk a GM cső belépő ablaka elé egy ismert aktivitású 137 Cs etalon forrást. Állítsunk be a számláló óráján olyan mérési időt, hogy a begyűjtött impulzusszám (I) statisztikus szórása σ = (I) 1/2 2 % alatt legyen. (I t legalább három mérés átlagából számítsuk ki.) A forrás aktivitásának ismeretében határozzuk meg az η hatásfokot a következő összefüggés szerint: i h η = (3) A D 0 ahol i = az etalonnal mért átlag számlálási sebesség (cps), h = a háttár számlálási sebesség (cps), A 0 = az etalon aktivitása (Bq) adott t 0 időpontban és D = a vonatkoztatási t 0 időpont és a - 4 -

5 mérés időpontja között eltelt idő ( t) okozta bomlási faktor: D = exp(-λ t), λ = a 137 Cs bomlási állandója (ln2/t 1/2 ). A 137 Cs t 1/2 felezési ideje: nap. Helyezzük az ismeretlen aktivitású 137 Cs es sugárforrást a GM cső elé (mérési geometria!), és mérjünk ismét ezzel is annyi ideig, hogy a számlálási sebesség (i minta ) standard deviációja 2 % körüli legyen. A hatásfok felhasználásával számítsuk ki a forrás aktivitását: i ta h A = min (4). η 4. A MÉRÉSHEZ SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK ÉS ANYAGOK - számláló berendezés GM detektorral; - radioaktív sugárforrások; - abszorbens anyagok; - sugárforrás tartó, csipesz. IRODALOM Nagy L. Gy.: Radiokémia és izotóptechnika, Tankönyvkiadó, Bp Deme S.: Gázionizációs detektorok, Akadémia kiadó, Bp Bódizs D.: Atommagsugárzások méréstechnikája, Typotex kiadó, Bp