318. Radioaktív sugárzás vizsgálata szilárdtest nyomdetektorral Feladat: 39 Pu forrás -sugárzásának detektálása cellulóz-nitrát nyomdetektor segítségével, optimális előhívási idő meghatározása. Elméleti alapok Nehéz ionizáló részecske erősen sugárrombolt csatornát hoz létre, ha kristályokon vagy szigetelő szilárd anyagokon halad át. A csatorna 5 nm átmérőjű, amely kémiai maratással 10 m méretűre felnagyítható és optikai mikroszkóppal megfigyelhető. A nyomkialakulás mechanizmusának még számos részletkérdése tisztázatlan. Legáltalánosabban az "ion-robbanás"-os elméletet fogadják el. Eszerint a nyomkialakulás mechanizmusa a következő: a nehéz töltött részecske pályája mentén ionizálja a szilárd anyag atomjait és erősen lokalizált, nagy sztatikus tértöltést hoz létre, amely az ionizált atomokat robbanásszerűen kilöki a helyéről. Polimerek esetén a hosszúláncú molekulák széttöredeznek, és a láncvégeken erősen reaktív helyek képződnek. A.1. ábra a kristályokban (a), ill. a polimerekben (b) lejátszódó folyamatot szemlélteti..l.a. ábra: A nyomkialakulás mechanizmusa kristályokban
.1.b. ábra: A nyomkialakulás mechanizmusa polimerekben A töltött részecske pályája mentén létrejövő sugárkárosodás mértéke az útegységen leadott energiától (J), és ezen keresztül az ionizált atomok sűrűségétől függ. A J értéke elméletileg a Bethe-formulával közelíthető: aze J ln( ) K ( ) (.1) 1 amely a hidrogénben kialakuló elsődleges ionizáció mértékét adja meg. A formulában Z e az ionizáló részecske effektív töltése, "a" és "K" konstansok, =v/c a részecske relatív sebessége, ( ) pedig relativisztikus sebességek esetén fellépő korrekció. A természetes radioaktív bomlásból származó alfa-részecskékre és a spontán- vagy alacsony energiával létrehozott maghasadás termékeire a fenti összefüggésben és ( ) elhanyagolható. A (.1) formulából látható, hogy az ionizáció sűrűsége a pálya vége felé növekszik, így a detektorban keletkező sugárrombolt csatorna (primer nyom) csepp alakú, amelynek átmérője a pálya vége felé maximális. A sugárrombolt térfogatban megváltoznak az anyag kémiai tulajdonságai, ezért megfelelő oldószerben ezek a részek gyorsabban maródnak, mint környezetük. Minthogy az oldószer nem azonos módon fér hozzá a primer csatorna különböző pontjaihoz (az oldószer kezdetben csak a felülettel érintkezik), ezért a maratás a primer nyom
alakját eltorzítja. A maratott nyom amorf anyagban kúp alakú, melynek átmérője a pálya elején maximális. Ha az ionizáló részecskék a felületre merőleges irányban lépnek a detektorba, akkor a maratott nyom mikroszkópi képe köralakú, melynek átmérője a részecske energiájának, a detektor anyagának és a maratási körülményeknek (idő, hőmérséklet, oldószer koncentráció) a függvénye. A kristályos szilárd anyagok oldódási sebessége a különböző kristálytani tengelyek irányában eltérő, ezért az ezekben maratott nyomok alakja az anyag kristálytani rendszerét mutatja. A.. ábra a 5 Cf spontán hasadó anyag hasadási termékeinek nyomait szemlélteti üvegben (amorf) és csillámban (kristály), míg a.3. ábra a Th(B+C) forrásból származó 6.0 % és 8.78 MeV energiájú alfa-csoportok nyomát mutatja cellulóz-nitrátban... ábra: Hasadvány-nyomok üvegben és csillámban
.3.ábra: Különböző energiájú alfa-részecskék nyomai cellulóz-nitrátban Mivel a részecskeenergia és a nyomátmérő közötti kapcsolat bonyolult, ezért célszerű azt kísérletileg meghatározni az adott detektorra, a besugárzó részecske típusára és a maratási körülményekre. A.4. ábra a nyomátmérő-energia kapcsolatot szemlélteti alfa-részecskék esetén. Nyonátmérő ( m) 14 1 10 8 6 4 0 0 1 3 4 5 6 7 E alfa (MeV).4. ábra: A nyomátmérő és az energia kapcsolata
A detektor anyaga cellulóz-nitrát, a maratószer 6 mol/dm 3 koncentrációjú KOH, a maratási idő 9 perc, a maratási hőmérséklet 64,5 o C volt. Amint a.4. ábrából látható, a nyomátmérő-energia összefüggés MeV felett egyenessel közelíthető. A leggyakrabban használt detektoranyagok adatait a.1. táblázat tartalmazza. A maratás időtartama a hívószer összetételétől és hőmérsékletétől függ. Műanyag detektorok esetén alkalmas hívószer a 6 mol/dm 3 koncentrációjú NaOH vagy KOH, 50-60 o C hőmérsékleten 10, illetve 30 perces hívási idővel, míg a csillám maratása 40 tf %-os HF-ban történik szobahőmérsékleten 1- óráig; üveg esetén 5 tf%-os HF-ban néhány perc hívási idő szükséges. Csillámmal 0-30 órás maratási idő után a nyomüregek felveszik a kristályszerkezetre jellemző rombusz alakot. A csillámok és üvegek érzéketlenek a környezeti hatásokra, ezért ezekben a primer nyomok élettartama szobahőmérsékleten 10 10 év. A detektort 1 óráig 500 o C-on tartva a nyomok eltűnnek. A műanyagok, különösen a cellulóz alapanyagúak, nagyon érzékenyek a fényre, hőmérsékletre, ózon és oxigén-tartalomra, stb. Emiatt a detektort gyakran -15 o C-on tartják. 100-00 o C hőmérsékleten 1 óra alatt eltűnnek a nyomok, regenerálódik a detektor..1. táblázat: Gyakran használt szilárdtest nyomdetektorok Detektor anyag Kémiai összetétel Sűrűség (g/cm 3 ) Cellulóz-nitrát C 6 H 8 O 9 N 1,33 Cellulóz-acetát C 1 H 18 O 7 1, Lexan, Makrofol C 16 H 14 O 3 1,0 Mylar C 1 H 16 O 7 1,35 Cellulóz triacetát C 3 H 4 O 1,30 Üveg Na SiO 3, CaSiO 3,5 Muszkovit csillám KH Al 3 Si 3 O 1,93 Speciális mérési körülmények (pl. merőleges beesés) biztosítására gyakran alkalmaznak műanyag fékező fóliákat. A.5. ábra példaként szemlélteti az alfa-részecske útegységre eső
energiaveszteséget cellulóz-triacetátban, míg a maximális hatótávolság makrofolban és levegőben a.6. ábrán látható. de/dx (kev/ m) 300 50 00 0 = 150 0 =1000 ev 0 =1000 ev 100 50 0 =350 ev 0 =350 ev 0 0 1 3 4 5 6 E alfa (MeV).5. ábra: Az alfarészecske specifikus energiavesztesége cellulóz-acetátban Hatótávolság (levegő: cm) (makrofol: 10 m) 10 9 8 7 6 5 4 3 1 Levegő Makrofol 0 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 E alfa (MeV).6. ábra: Alfa részecske hatótávolságának energiafüggése
A primer nyomok előhívása általában termosztátban történik. Viszonylag egyszerű és olcsó, de csak korlátozottan alkalmazható előhívó rendszert szemléltet a.7. ábra. 1: Fűtőtest : Metanol 3: NaOH, vagy KOH oldat 4: Detektor fólia 5a: Hűtővíz be 5b: Hűtővíz ki.7. ábra: Előhívó berendezés sematikus rajza
Az előhívó folyadékot metanol gőze veszi körül és azt állandó 64,5 o C hőmérsékleten tartja. megszárítani. A filmeket előhívás után csapvízben és desztillált vízben le kell mosni, majd - Szükséges anyagok: cellulóz-nitrát film Pu-39 zárt sugárforrás 6 moldm-3-es KOH oldat desztillált víz celofán fólia - Szükséges eszközök: előhívó berendezés mikroszkóp A gyakorlat leírása Mérési feladat 1./ Indítsa meg a hívórendszerben a hűtővizet úgy, hogy az gyenge áramban folyjon, majd helyezze a hívóba a hőmérőt és kapcsolja be a fűtést! Ha a hőmérséklet elérte a 64,5 o C-ot, megkezdheti a hívást../ Sugározzon be egy CN detektort alfa forrással! 3./ Helyezze a besugárzott detektort a hívóba, várjon 10 percig, ezután mossa és szárítsa meg a filmet! Nézze meg mikroszkópon, hogy van-e részecskenyom a filmen! Ha van, mérje meg az átmérőjét okulárskála segítségével! Ezután ismételje meg a fenti műveleteket 5 perces hívási idővel mindaddig, amíg változik a nyomátmérő! 4./ 1, ill. 3 réteg műanyag helyezzen a sugárforrás és a detektor közé. A 3. pontban megfelelőnek talált idővel hívja elő a filmet és mikroszkóp alatt figyelje meg a nyomokat! Balesetvédelmi tudnivalók: A szerves oldószereknél ügyelni kell a tűzveszélyességükre, valamint arra, hogy a toluol irritáló, így a bőrrel való érintkezését kerülendő védőeszköz használata szükséges.
A minden laboratóriumban érvényes evést, ivást és dohányzást tiltó szabályokon túlmenően, az izotóplaborban tilos még: rágógumit rágni, a ceruza/toll végét rágni, kozmetikumot használni. Izotóp laboratóriumban terhes és szoptatós anyák nem végezhetnek munkát, mivel a fejődő szervezetet nem szabad ionizáló sugárzás hatásának kitenni Ellenőrző és zh kérdések: 1. A szilárdtest nyomdetektor működési elve.. Radon a környezetben. 3. α-sugárzás és az anyag kölcsönhatása. 4. Neutron sugárzás és az anyag kölcsönhatása. 5. Rajzoljon egy szilárdtest nyomdetektor előhívó berendezést.