Radiokémia 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 típusa lehet: - α-sugárzás: kétszeres pozitív töltéssel rendelkező 4 He 2+ ionok ( 4 He atommagok). Bár energiájuk viszonylag nagy ( 3-9 MeV), hatótávolságuk nagy tömegük és töltésük miatt kicsi, akár egy papírlap, vagy néhány cm levegőréteg 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). A) Béta-sugárzás mérése GM csővel 1. GM-cső karakterisztikájának felvétele A Geiger-Müller számláló cső a gázionizációs detektorok közé tartozik. A GM-csövekbe belépő töltött béta-részecske vagy direkt ionizációval, vagy pedig a detektorfal speciális rétegében gerjesztett fotonok segítségével a detektor töltőgázában elektron-ion párokat gerjeszt, amelyek a detektor anódjára és katódjára kapcsolt nagyfeszültség hatására felgyorsulnak és további ionpárokat hoznak létre (lavina). Ezért a GM-cső nem energiaszelektív, az általa adott jel gyakorisága (beütésszám) a radioaktív minta aktivitásával arányos. A küszöbfeszültség meghatározása A GM-csöves 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 hossza és meredeksége. (A GM-cső öregedésével a plató rövidül és meredeksége nő.) Folytonosan növelve a GM-csőre kapcsolt feszültséget meghatározzuk azt a küszöbfeszültséget, ahol a cső számolni kezd. Ez U K = V. A karakterisztika-görbe felvétele
- 2- A GM-csőre kapcsolt feszültség függvényében vizsgáljuk az adott intenzitású radioaktív sugárzás ( 204 Tl) hatására mért impulzusszámot. A feszültséget a küszöbérték feletti tartományban, kb. 350 és 650 V között 50 V-ként növeljük. Minden feszültség értéknél 3x1 percig mérünk. Osztás Feszültség Beütésszám Beütésszám Átlag Intenzitás [V] [-] [-] [-] [cpm] 200 350 300 400 400 450 500 500 600 550 700 600 800 650 A mért adatokból megszerkesztjük a GM-csõ 1. ábrához hasonló karakterisztika-görbéjét. 1000 800 I [ cpm ] 600 400 munkapont 200 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 U [ V ] 1. ábra Példa GM-csõ karakterisztika görbéjére A GM-csõ munkapontjának a küszöbfeszültség + 100 V feletti értéket választunk. A karakterisztika meredekségét a munkapont környékén határozzuk meg. Pl., ha a munkafeszültség 500 V, az U=450 V és U=550 V- hoz tartozó mérési adatok felhasználásával: m % = 100 ( n +50 - n -50 ) n -50 =1,14 %. Ennek alapján megállapítható, hogy a mérések szerint a vizsgált GM-csõ milyen minõségû. A csõ feszültségét a munkapontra állítjuk be a további mérésekhez. 2. A GM-cső feloldási idejének meghatározása 2
- 3- Pontos mérésekhez az eredmények kiértékelésénél figyelembe kell venni az adott GM-cső feloldási idejét (holtidejét) is. Az ilyen típusú mérőeszközök ugyanis az egyes beütések után egy bizonyos ideig számlálásra képtelenek, ezért a mért beütésszám kisebb a ténylegesen primer ionizációt keltő részecskék számánál. E jelenség mérési eredményekre gyakorolt hatásának meghatározása érdekében vizsgáljuk a GM-cső által mért beütésszám függését a radioaktiv sugárzás intenzitásától. Elvárásunk szerint e véges feloldási idő miatt a beérkezô részecskék számának növekedésével a beütésszám már nem lesz egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával. A kísérlet során két különbözô aktivitású minta sugárzásának intenzitását mérjük (I 1, I 2 ) külön-külön, majd együtt is ( I 12 ). Ezekből a τ feloldási idő a háttér intenzitás ( I h ) figyelembevételével számítható: I 1 + I 2 - I 12 - I h τ = I 12 2 - I 1 2 - I 2 2 Mérési adataink a következőképpen alakulhatnak (példa): Mért minta B e ü t é s s z á m I n t e n z i t á s n1 n2 n3 jele értéke [cps] háttér 16 26 19 I h 0.17 1 9670 9877 9801 I 1 81.52 2 5588 5640 5574 I 2 46.67 1+2 15204 15406 15325 I 12 127.60 A táblázat mintaadatai alapján a feloldási idõ τ=57.4 µs. 3. A radioaktiv bomlás statisztikus jellegének vizsgálata A radioaktív jelenségeket és hatásaikat különbözô mérésekre alapozva írjuk le, illetve minõsítjük. Ezért fontos a radiometriai mérések hibáival is foglalkozni. A radiometriai mérések hibaelemzését alapvetõen a sztochasztikus mérési modellre építjük, mivel - egyrészt az atommagokban és/vagy a maghéjakban lejátszódó vizsgált jelenségek (pl. röntgen-kvantumok kibocsájtása vagy az atomok elbomlása véletlenszerûen következnek be, - másrészt az atommag- vagy röntgen-sugárzások akkor válnak mérhetõvé, ha kölcsönhatásba lépnek a detektor anyagával, amely kölcsönhatás szintén véletlen esemény, - harmadrészt pedig a méréselrendezés okozta rendszeres hibák ingadozásai is véletlenszerûen következnek be. A mérési gyakorlat során GM-csõvel vizsgáltuk egy 204 Tl bétasugárforrás által kibocsátott rádioaktív sugárzás intenzitását. A méréssorozat 20 db egyenként 20 másodperces mérési idejû intenzitásmérésbõl áll, melyeket egyrészt a bomlási ingadozást és a mérõkészülék ingadozásait is figyelembe vévõ, másrészt pedig csak a bomlási ingadozásokat figyelembe vévõ (Poisson-eloszlás) összefüggés alapján értékelünk ki. Az összes ingadozást figyelembe vévõ összefüggés a szórásra: 3
- 4- σ 1 = ± ( ni n) z 1 2 =, ahol n a z számú egyedi n i mérés számtani átlaga. A Poisson-eloszlást figyelembe vévõ, csak a bomlási ingadozással számoló összefüggés az egyes mérések szórására: σ 2 = ± n. Példa mérési adatok 20 db ismételt mérésre: sorszám Beütésszám sorszám beütésszám sorszám beütésszám sorszám beütésszám 1 107 6 112 11 82 16 113 2 109 7 111 12 115 17 95 3 94 8 126 13 110 18 107 4 117 9 117 14 99 19 98 5 117 10 93 15 98 20 92 Az előző összefüggések alapján mérési adatainknak a kétféle mérési modellre számított standard eltérései a következő értékeknek adódtak: σ 1 = 33.4 cpm, ill. σ 2 = 30.8 cpm, tehát kissé eltérnek egymástól. 1. A gamma-foton detektálása B) Gamma-spektrometria Természetes radionuklidok mérése félvezető detektoros gammaspektrometriás módszerrel A legtöbb radioizotóp bomlása során egy rá jellemző, diszkrét energiájú gamma-fotont bocsát ki. Ezért a gamma-sugárzás mérése jó lehetőséget ad a radionuklid azonosítására, és aktivitásának meghatározására. A gamma-spektrometriás mérések során félvezető detektort célszerű használni. A félvezető detektorok tulajdonképpen szilárd ionizációs detektorok. A szilárd félvezető anyagok a következő előnyökkel bírnak: nagy sűrűségük miatt a beérkező részecske rövid úton le tudja adni energiáját, így kisebb detektortérfogat szükséges, ezen kívül a mechanikai stabilitásuk is jó. Alkalmasak γ-sugárzás detektálására. A félvezető anyagokban egy ionpár létrehozásához csak 2,8-3,6 ev szükséges, ez lényegesen kisebb, mint egyéb detektortípusoknál. Az ionizáló részecske hatására sok töltéshordozó keletkezik, így számuk statisztikus ingadozása kisebb, ezért jobb felbontást érünk el. 2. Gamma-spektroszkópia félvezető detektorral A félvezető detektorokat a jó felbontású spektrum eléréséhez alacsony hőmérsékleten kell tartani. Ez rendszerint cseppfolyós nitrogénnel vagy 4
- 5- levegővel érhető el. A detektort vákuumkamrában helyezik el (<10-5 torr) a nagy vákuum biztosítására, mivel fontos, hogy a detektor felületén ne legyenek kondenzált részecskék. A végablak anyagaként alumíniumot vagy berilliumot, ill. újabban az alacsony háttér biztosításához - karboepoxit használnak. A félvezető detektoroknak a gáztöltésű és szcintillációs detektorokhoz képest jobb energiafelbontása abból adódik, hogy az ionizáló részecskék energiáját sokkal nagyobb hatásfokkal alakítják át. A detektor anyaga legtöbbször nagy tisztaságú Ge, de 100 kev alatti mérésekhez a Si detektorok terjedtek el. 3. Gamma-spektrumok felvétele és értékelése A gamma-spektrométerek detektorból, előerősítőből, erősítőből, nagyfeszültségű tápegységből és egy- vagy sokcsatornás amplitúdóanalizátorból állnak. Az analízishez leggyakrabban NaI(Tl) szcintillációs vagy HPGe (nagy tisztaságú germánium) félvezető detektorokat alkalmaznak. A detektorokkal általában egybeépítik az előerősítőt is. Az így keletkezett elektromos jelek általában 1 V nagyságrendűek. Az erősítő szolgál arra, hogy a további jelfeldolgozók bemenetéhez illeszkedő jelet állítson elő. Az impulzusokat, jeleket analizáljuk, azaz meghatározzuk az amplitúdó szerinti eloszlásukat, mely egyben a sugárzás energia-eloszlását adja. A sokcsatornás analizátor működésének alapelve az, hogy a detektorról érkező és megfelelően felerősített elektromos impulzusok amplitúdó-mérését időmérési adattá alakítja át (analóg-digitál konverzió). A konverzió után az információ beíródik egy tárolóba, melynek sorszáma arányos a beérkezett impulzus nagyságával, tehát egy adott memóriarekesz sorszáma a készülék beállításától függően valamilyen részecske-energiának felel meg. Az adott energiájú részecskék számát (gyakoriságát) a memóriarekeszben levő információ adja meg. Ebből következik, hogy a gammaspektrometria minőségi és mennyiségi elemzésre egyaránt alkalmas. Azt az időtartamot, míg az analizátor egy jel feldolgozásával van elfoglalva (analóg-digitál konverzió) és új impulzus fogadására nem képes, holtidőnek nevezzük. A holtidő annál nagyobb, minél nagyobb impulzusgyakorisággal dolgozunk és minél nagyobbak az impulzusok amplitúdói. Azt az időt, míg az analizátor képes fogadni a beérkező impulzusokat, élőidőnek nevezzük. Az élőidő és a holtidő együtt a teljes mérési idő, vagyis az óraidő. Az így kapott spektrumok a detektorok függvényében azonban lényegesen eltérnek, amit a kiértékelésnél figyelembe kell venni. Minőségi elemzés Az egyes csúcsok helyének megfelelő energia (és ez alapján az ismeretlen radionuklid) azonosítása érdekében a spektrométer kalibrációját az adott beállítás mellett ismert radionuklidokkal - ismert gamma-energiájú etalonokkal - végezzük. A csúcsok helye és energiája ismeretében meghatározzuk az energiákat, majd táblázatból megkeressük a hozzá tartozó radionuklidokat. Összetett spektrumoknál a meghatározást segítheti a gamma-fotonok hozamának (az 1 bomlásra eső fotonok számának) ismerete. 5
- 6- Sokcsatornás analizátor esetén a félvezető detektorról érkező jeleket 8196 csatornás analizátorral célszerű vizsgálni. Az erősítést úgy kell megválasztanunk, hogy a mérni kívánt legnagyobb energiájú gamma-foton által keltett jel még a mérési tartományba essen. Mennyiségi meghatározás Egy radioaktív minta aktivitását relatív vagy abszolút módszerrel határozhatjuk meg. A relatív módszer akkor használható, ha a meghatározandó mintának megfelelő összetételű (azonos izotópokat tartalmazó), ismert aktivitású mintánk van. A minták többi paraméterének (mérési geometria, sűrűség) is azonosnak kell lennie. Az ismert aktivitású mintával meghatározzuk az egységnyi aktivitás által kiváltott csúcsterületet, majd az ismeretlen aktivitású minta megfelelő csúcsát kiválasztva, a csúcsterületeket összehasonlítva számoljuk az aktivitást. Az értékeket azonos időtartamra és tömegre kell vonatkoztatni. Az abszolút módszernél bármilyen izotópokból álló, de az egész energiatartományt átfogó ismert aktivitású mintára, etalonra van szükség. Ezzel az etalonnal határozzuk meg a detektor hatásfokának energiafüggését a mérendő mintával közel azonos geometriában. 4. Természetes izotópok gamma-spektrometriája A természetben megtalálható radionuklidok gamma-spektrometriás méréséhez az izotópoknak több gamma-vonalát fel tudjuk használni a gamma-gyakoriság függvényében, illetve attól függően, hogy mennyire különíthetők el a csúcsok egymástól. A természetes izotópok gammaspektrometriájánál felhasználható gamma-vonalakat a táblázatosan adják meg. A gamma spektrometria minőségi analízise során felhasznált csúcsok Izotóp T1/2 E (kev) γ-gyakoriság Hiba (%) 228 Ac 6,13 óra 911,07 27,80 0,95 208 Tl 3,05 perc 2614,60 99,83 0,17 214 Bi 19,7 perc 609,32 45,00 0,89 214 Pb 26,8 perc 295,21 18,70 2,14 40 K 1,28*10 9 év 1460,83 10,67 0,6 Mérési feladat: Magyar gyártmányú műtrágya minták sokcsatornás gammaspektrometriás elemzése, aktivitás-koncentrációk meghatározása. Mérés Canberra GC 3020 típusú HPGe félvezetõ detektorral és Ortec DSPEC jr 2.0 típusú sokcsatornás analizátorral. Gamma-spektrumok kiértékelése GammaVision for Windows model A66-B32 6.01 kiértékelõ programmal. Meghatározandó a mûtrágya minták gamma-spektruma és a mért spektrumok alapján meghatározott aktivitás koncentrációk Bq/kg egységben. Egy mûtrágya minta példa gamma-spektrumát mutatjuk be a következõ ábrán. 6
- 7- A jegyzőkönyvben beadandó adatokról a mérés során kapnak tájékoztatást. 7