Radioaktív sugárzások abszorpciója

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Radioaktív sugárzások abszorpciója"

Gyula Kelemen
4 évvel ezelőtt
Látták:

1 Radioaktív sugárzások abszorpciója Bevezetés A gyakorlat során különböző sugárforrásokat két β-sugárzót ( 204 Tl és 90 Sr), egy tiszta γ-forrást ( 60 Co) és egy β- és γ-sugárzást is kibocsátó preparátumot ( 137 Cs) valamint Geiger Müller (GM) számlálót és abszorber sorozatot használunk. A méréseket egy számítógépes szoftver (ST360) segítségével lehet elvégezni. A program kezeléséhez szükséges legfontosabb parancsok listája a mérőhelyen ki lesz függesztve, de bátran kérjük a gyakorlatvezető segítségét is. A mért adatokat a szoftver saját formátumában el is menti, ezt használhatjuk később a kiértékelésekhez. Az adatok feldolgozását érdemes a Microcal Origin, OpenOffice.org Calc vagy a Microsoft Excel programjaival végezni (ezek általában telepítve vannak a mérőgépeken is). Fontos tisztázni, hogy míg a számláló csak beütésszámot mutat (n, mértékegység nélkül), a valódi információt a számlálási sebesség (, 1/idő mértékegységben) adja, vagyis az egységnyi időre (általában tm 1 s-ra) eső átlagos beütésszám. A számolások során mindig ν-t kell használni. 1. A Geiger Müller számláló A Geiger Müller számláló a legegyszerűbb és legáltalánosabban használt sugárdetektor. A detektált sugárzás fajtáját és energiáját nem tudja meghatározni, a kapott beütésszámokban csak az összaktivitás tükröződik. A detektor egy külső fémburkolatból (általában egy zárt cső), egy belső szintén vezető szálból, a köztük lévő könnyen ionizálható gázból (pl. argon, neon) és a szükséges elektronikából áll. Használat során a burok és a belső szál rendre katódként és anódként szerepel, köztük jellemzően több száz, néha néhány ezer volt feszültség van. Amikor a radioaktív sugár ionizálja a gázt, a keletkező elektronok és kationok az anód, illetve a katód felé kezdenek mozogni (egyszerű Coulomb-kölcsönhatás). Az elektronok útközben további atomokat tudnak ionizálni, így gyorsan kialakul egy elektronlavina (a sokszorosítási tényező kb ). Az anódba csapódó elektronok kisülést okoznak, amit a számláló elektronika egy beütési eseménynek mutat. A lavinát a töltőgázban kis koncentrációban lévő fojtógáz (pl. szerves gőz, halogéngáz) fojtja el. Az elektronlavina kialakulása és az elfojtás között jellemzően 1 μs 1 ms idő telik el, ez a detektor holtideje (td). Ha ez idő alatt érkezik egy új részecske, azt a detektor nem fogja külön jelként érzékelni, így a mért beütésszám (n) mindig kisebb lesz, mint a detektort elérő részecskék száma (n0). Az ebből eredő torzulást az illetve, (1) egyenlettel tudjuk kiküszöbölni. A holtidőt legkönnyebben két elegendően nagy aktivitású sugárforrással lehet meghatározni. Ehhez meg kell mérni a két forrás által keltett számlálási sebességeket külön-külön (ν1 és ν2) illetve 1. oldal

2 együtt (ν1+2) is. A holtidő miatt: ν1+2 < ν1+ν2, hiszen gyakrabban fog előfordulni két forrás esetén, hogy az új ionizáló részecske akkor érkezik a detektorba, amikor az előző részecske által keltett elektronlavina még nem szűnik meg. Ezt kihasználva a holtidőt a következő kifejezéssel kapjuk:. (2) 2. Detektálási hatékonyság A mért beütésszám nem csak a holtidő miatt jóval kisebb, mint azt a minta aktivitása miatt várnánk. A detektálás hatékonysága négy fő tényezőtől függ: a detektor látószögétől, a forrás és a detektor között lévő anyag (pl. levegő) abszorpciójától, az előbb tárgyalt holtidőtől és a detektorban történő ionizáció valószínűségétől. Utóbbiról csak annyit érdemes most tudni, hogy általános GM-csövek esetében az α- és β-sugarak gyakorlatilag 100%-ban ionizálnak, a γ-fotonok viszont csak jóval kisebb mértékben. A detektor látószöge alatt azt értjük, hogy míg a radioaktív források jó közelítéssel gömbszimmetrikusan sugároznak, a detektor ebből csak egy kis részt (gömbcikket) lát. Ennek kétdimenziós metszetét mutatja az 1. ábra. A gömbcikk mérete a forrás és a detektor távolságától (d) illetve utóbbi ablakméretétől (általában az ablak kör alakú, jellemző paramétere a sugara: r) függ. Kis geometriai okoskodással könnyen belátható, hogy állandó méretű GM-csövet használva (általában ez az eset áll fenn): (1 ), (3) ahol ν a mért számlálási sebesség, ν0 pedig a 0 cm távolságra extrapolált számlálási sebesség (ekkor elvileg a teljes térszög felét látja a detektor). Amennyiben d jóval nagyobb, mint r, (3) kifejezés helyett egy egyszerűbb ~ -el is közelíthetjük a távolságfüggést. Fontos látni, hogy a gyakorlatban a távolságfüggést a látószög változása és a forrás és detektor közötti levegő abszorpciójának változása egyszerre határozza meg. Persze könnyen vagyunk, ha az egyik elhanyagolható a másikhoz képest. 2. oldal

3. Abszorpció α- és β-sugárforrás esetében a megfelelő sugár anyag kölcsönhatások jellege miatt a közepes vagy a maximális hatótávolság (ahol a beütésszám már csak a háttérsugárzásból, esetleg

3 3. Abszorpció α- és β-sugárforrás esetében a megfelelő sugár anyag kölcsönhatások jellege miatt a közepes vagy a maximális hatótávolság (ahol a beütésszám már csak a háttérsugárzásból, esetleg bomláskísérő sugárzásból származik) ad érdemi információt a sugárzásról, pl. ezzel meg lehet határozni a maximális β-energiát (2. ábra). A γ-sugárzások abszorpciója a jól ismert exponenciális törvényt követi: exp( ) exp(!" ), (4) # ahol n és n0 a szokásos számlálási sebességek, x az abszorber rétegvastagsága cm, vagy g/cm 2 felületi sűrűség egységben; μ a lineáris, ill. a tömegabszorpciós együttható cm -1, ill. cm 2 /g egységben; x1/2 pedig a felezési rétegvastagság cm, ill. g/cm 2 egységben (a két mértékegység között minden esetben az abszorbens sűrűségével (g/cm 3 ) tudunk váltani). Fontos megjegyezni, hogy x1/2 mind a sugárzás minőségétől, mind annak energiájától függ, így gyakran több exponenciális függvény összegét látjuk. γ-sugárforrásoknál főleg a Compton-szórás és a keletkező karakterisztikus röntgenfotonok miatt nem lehet pontos fizikai tartalmat tulajdonítani a felezési rétegvastagságoknak, bár ezeket különböző trükkökkel ki lehet küszöbölni. 3. oldal

2. ábra: Elektronok és β-részecskék energiája és hatótávolsága közötti összefüggés alumínium abszorber esetén Mérések, kiértékelés 1.

detektorra adott nagyfeszültség görbét a 60 Co sugárforrással: A nagyfeszültséget 0 V értéktől kezdve növeljük folyamatosan addig, amíg a detektor számlálni nem kezd (egy-két kósza beütésszámot még

1100V értékig emeljük a nagyfeszültséget 25 V-onként, és minden értéknél végezzünk 1 10 s-os mérést. Ábrázoljuk a mért adatokat, jelöljük meg a Geiger-platót az ábrán.

4 2. ábra: Elektronok és β-részecskék energiája és hatótávolsága közötti összefüggés alumínium abszorber esetén Mérések, kiértékelés 1. Geiger-plató A detektor munkafeszültségének megállapítása céljából vegyük föl a detektor karakterisztikáját, azaz mérjük ki a számlálási sebesség vs. detektorra adott nagyfeszültség görbét a 60 Co sugárforrással: A nagyfeszültséget 0 V értéktől kezdve növeljük folyamatosan addig, amíg a detektor számlálni nem kezd (egy-két kósza beütésszámot még nem tekintünk számlálásnak). Ez a nagyfeszültségérték a detektor ún. indulási feszültsége. Az indulási feszültség alatti első 50 V-tal osztható nagyfeszültségértéktől kezdődően max. 1100V értékig emeljük a nagyfeszültséget 25 V-onként, és minden értéknél végezzünk 1 10 s-os mérést. Ábrázoljuk a mért adatokat, jelöljük meg a Geiger-platót az ábrán. A keresett munkafeszültség azon szakasz kb. felénél van, ahol a beütésszám nem változik jelentősen az emelkedő feszültséggel. Állítsuk a nagyfeszültséget az így meghatározott értékre. 2. Háttérmérés Távolítsuk el a radioaktív forrást a mérőtoronyból, és mérjük meg a hátteret s-os mérésekkel. Becsüljük meg a háttérmérések alapján, mekkora sugárzás ér egy embert egy nap illetve egy év alatt! Hogyan viszonyul ez a hatósági korláthoz (elég durván közelítve azt mondhatjuk, hogy minden 4. oldal

5 beütés/s msv/év effektív dózist okoz)? 3. Holtidő meghatározása Ehhez a feladathoz 2 db 90 Sr sugárforrást használjunk. Figyeljünk arra, hogy a források feliratos oldala alul legyen. Rakjuk az egyik forrást a lapra úgy, hogy a másik forrás később elférjen mellé (a mérés során nagyon fontos, hogy az adott sugárforrások mindig ugyanott legyenek!). Végezzünk egy 60 s-os mérést. (ν1) Helyezzük be a másik forrást is, majd mérjünk megint 60 s-ig (ν2). Az utolsó 60 s-os mérést már csak a második forrással hajtsuk végre (ν1+2). A (2) összefüggés segítségével határozzuk meg a detektor holtidejét. 4. A számlálási sebesség változása a távolsággal Végezzünk 20 s-os méréseket a 90 Sr sugárforrással minden polcon. Ábrázoljuk a holtidővel és háttérrel korrigált számlálási sebességek távolságfüggését. A grafikonokra illesztett (3) összefüggés alapján adjuk meg a detektor sugarát és a 0 cm távolságra átlagolt számlálási sebességet. 5. Abszorpció alumíniumban Helyezzük a sugárforrásokat felülről a második polcra (címkével lefelé). Rakjuk fölé egyenként az összes alumínium lemezt, és mérjük 20 s-ig a beütésszámokat. (Mérjünk egyet abszorber nélkül is (0 mg/cm 2 )!) Ábrázoljuk az abszorpciós görbéket a 90 Sr, 60 Co, 204 Tl, 137 Cs esetén (relatív beütésszám az Al rétegvastagságának fv.-ben. Értelmezzük a görbék alakját a β és γ-sugárzások anyagban történő abszorpcióját meghatározó tényezők figyelembe vételével. Az abszorpciós görbék segítségével becsüljük meg az egyes β-sugárzások hatótávolságát és ez alapján maximális β-energiát (2. ábra). 6. Abszorpció ólomban Helyezzük a 60 Co sugárforrást felülről a harmadik polcra (címkével lefelé). Rakjuk fölé egyenként az összes ólom lemezt (Q, R, S, T; illetve Q+R, R+S, S+T jelű), és mérjük 5x60 s-ig a beütésszámokat. (Mérjünk abszorber nélkül is (0 mg/cm 2 )!) Helyezzük a forrásra az ismeretlen vastagságú ólomlemezt, és ismételjük meg az 5x60 s mérést. Ábrázoljuk a mért számlálási sebességeket (háttérrel korrigálva) az ólom vastagságának függvényében! A mért pontokra illesszük a (4) összefüggést és határozzuk meg az ólom tömeg- és lineáris abszorpciós együtthatóját! Az eredményt adjuk meg cm 2 /g -ban és cm -1 -ben is! Az ólom sűrűsége 11,3 g/cm 3. (Megjegyzés: Az abszorpciós együttható energiafüggő. A 60 Co izotóp bomlásából két különböző energiájú gamma foton származik, 1.17 és 1.33 MeV energiával. A meghatározandó együttható a kettő átlagának, azaz 1.25 MeV-nek felel meg.) A kapott abszorpciós együttható segítségével határozzuk meg az ismeretlen ólomlemez vastagságát mm-ben! 5. oldal

Hasonló dokumentumok

Radioaktív sugárzások abszorpciója

A magkémia alapjai laboratóriumi gyakorlat Radioaktív sugárzások abszorpciója Mérésleírás 1 Bevezetés A gyakorlat során öt különböző sugárforrást egy α bomlót ( 239 Pu) 1, két β sugárzót ( 204 Tl és 90