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 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. 2 Érdemes utánanézni, hogy honnan származik a 137 Cs forrásnál a γ sugár. Ez jó tippet ad a későbbiekben a 90 Sr abszorpciós görbéjének megértéséhez. Lásd pl. http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/nucsearch.asp. A mérések elméleti hátterét nagyrészt az előadásokhoz adott tananyag tartalmazza, mely honlapunkon elérhető 3. Némi méréstechnikai kitérőt azonban tennünk kell. 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 ( = n, 1/idő mértékegységben) adja, vagyis az egységnyi időre (általában t m = 1 s ra) eső átlagos beütésszám. A számolások során mindig ν t kell használni! t m 1.1 A GM cső 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 1 Vigyázzunk a 239 Pu preparátummal, a radioaktív anyag ugyanis a hordozófém felületére van rákenve, hiszen különben az α sugárzás nem tudna kijutni belőle a nagyon kicsi hatótávolsága miatt. Ezért tilos hozzáérni, vagy bármivel a felületet megdörzsölni! 2 A leírásban szereplő dőlt betűvel szedett részeket nem kötelező elolvasni/megválaszolni, de érdemes. 3 A leírás készítésének idejében a http://www.chem.elte.hu/departments/magkem/hun/oktatas/mka/index.html címen.
2. mérés: Radioaktív sugárzások abszorpciója gyorsan kialakul egy elektronlavina (a sokszorosítási tényező kb. 10 6 10 8 ). 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 (t d ). 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 (n 0 ). Az ebből eredő torzulást az illetve egyenlettel tudjuk kiküszöbölni. n 0 = n 1 n t d t m, 0 = (1) 1 t d Hogyan jön ez ki? Gondoljunk bele, hogy amennyiben a jelek ritkásan jönnek, minden számolt részecske egy egy t d nyi időt rabol el. Így a megszámolt és a beérkező részecskék aránya annyi lesz, mint a (t m n t d ) illetve a t m idők aránya. A holtidőt legkönnyebben két elegendően nagy aktivitású sugárforrással lehet meghatározni. Ehhez meg kell mérni a két forrás által keltett számlálási sebességeket külön külön (ν 1 és ν 2 ) illetve együtt (ν 1+2 ) is. A holtidő miatt: ν 1+2 < ν 1 +ν 2, 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: t d = 1 2 1 2 2 1 2. (2) 1.2 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 (matekul gömbcikket) lát. 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):
A magkémia alapjai laboratóriumi gyakorlat = 0 1 d r 2 d, (3) 2 ahol n a mért számlálási sebesség, ν 0 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 ~ 0 1 d 2 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. 1.3 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 (l. melléklet). A γ sugárzások abszorpciója a jól ismert exponenciális törvényt követi: n=n 0 exp x =n 0 exp ln 2 x 1/2 x, (4) ahol ν és ν 0 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; x 1/2 pedig a felezési rétegvastagság cm, ill. g/cm 2 egységben (a két mértékegység között minden esetben a ρ abszorbersűrűséggel (g/cm 3 ) tudunk váltani). Fontos megjegyezni, hogy x 1/2 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. 2 Mérések 2.1 Geiger plató A detektor munkafeszültségének megállapítása céljából vegyük föl a detektor karakterisztikáját, azaz mérjük ki a számlálási sebesség vs. detektorra adott nagyfeszültség görbét bármely γ 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
2. mérés: Radioaktív sugárzások abszorpciója nagyfeszültségérték a detektor ún. indulási feszültsége. Az indulási feszültség alatti első 50 V tal osztható nagyfeszültségértéktől kezdődő 600 V os tartományon belül emeljük a nagyfeszültséget 25 V onként, és minden értéknél végezzünk 1 10 s os mérést. Ábrázoljuk a mért adatokat. A keresett munkafeszültség azon szakasz kb. felénél van, ahol a beütésszám nem változik jelentősen az emelkedő feszültséggel. Állítsuk a nagyfeszültséget az így meghatározott értékre. 2.2 Háttérmérés Távolítsuk el a radioaktív forrást a mérőtoronyból, és mérjük meg a hátteret 3 100 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 beütés/s 3 10 4 msv/év effektív dózist okoz)? 2.3 Holtidő meghatározása Ehhez a feladathoz a 204 Tl és a 90 Sr β forrásokat használjuk. Helyezzük a forrástartó lapot üresen a legfelső polcra. Mérjük meg a háttérsugárzást így 60 s ig (ν h ). 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 ismét egy 60 s os mérést (ν 1 ). Figyeljünk arra, hogy a források feliratos oldala alul legyen. Miért fontos ez? Mérjük meg a beütésszámot úgy is, hogy megfordítjuk a forrást! Helyezzük be a másik forrást is, a majd mérjünk megint 60 s ig (ν 1+2 ). Az utolsó 60 s os mérést már csak a második forrással hajtsuk végre (ν 2 ). Változik e a számlálási sebesség növekedésével a holtidő okozta veszteség százalékos aránya? Miért? 2.4 A számlálási sebesség változása a távolsággal Végezzünk 20 s os méréseket mind az öt forrással minden polcon (amíg értelmét látjuk). 2.5 Geiger cső hatékonysága Helyezzük (egyenként!) mind az öt forrást felülről a második polcra, majd mérjük meg a beütésszámokat 60 s ig. 2.6 Abszorpció alumíniumban Helyezzük az egyik β forrást felülről a második polcra. Rakjuk fölé egyenként az összes
A magkémia alapjai laboratóriumi gyakorlat alumínium lemezt, és mérjük 20 s ig a beütésszámokat. (Mérjünk egyet abszorber nélkül is (0 mg/cm 2 )!) Ismételjük meg az előző mérést a másik négy sugárforrással is (ismét, csak ameddig értelmezhető változást látunk). A 239 Pu forrás esetében nézzük meg az abszorpciót néhány kisebb felületi sűrűségű abszorberrel is (pl. vékony műanyagok, papír). Mit jelenthet a fadobozban lévő listában az abszorberek neve mellett szereplő szám? Tiszta β sugárzók esetén vastag abszorberen keresztül is mérhetünk a háttérsugárzásnál nagyobb beütésszámokat. Vajon miért? (Mi az a fékeződési sugárzás?) 3 Beadandó: Geiger plató a meghatározott munkafeszültség feltüntetésével; átlagos háttérsugárzás; a Geiger cső holtideje a (2) egyenletből számolva; a 0 cm sugárforrás detektor távolságra extrapolált számlálási sebesség és a detektor sugara mind az öt esetben (ehhez a (3) egyenletet használjuk); a detektálási hatékonyság értéke mind az öt forrásra, illetve a hatékonyságot leginkább meghatározó tényező megnevezése, indoklással; az abszorpciós görbék értelmezése (http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/nucsearch.asp); az α részecskék maximális hatótávolsága; β sugarak maximális hatótávolsága, az ebből számolt maximális β energiák, ezek összehasonlítása a névleges adatokkal; a β és γ sugarak felezési rétegvastagságainak összevetése. A beadott jegyzőkönyvben szerepelni kell minden mért adatnak, a kért ábráknak (figyeljünk a megfelelő tengelyfeliratokra!), a számolások menetének és az eredményeknek. Ne felejtsünk el korrigálni a háttérrel és a holtidővel, ahol lehet! A hatótávolságokat és a felezési rétegvastagságokat g/cm 2 ben adjuk meg.
2. mérés: Radioaktív sugárzások abszorpciója