Scintilační gama spektrometrie

Transkript

1 1 Scintilační gama pektrometrie Úkolem cintilační pektrometrie záření γ může být - tanovení energií fotonů interagujících e cintilačním detektorem a - analýzou energetického pektra určení radionuklidů a tanovení jejich aktivity. Rozpadová chémata Každý radionuklid při amovolné radioaktivní přeměně emituje záření. Způob přeměny radionuklidu dokládají rozpadová chémata, jejichž příklady jou na obr. 1 a obr C 30,1r 60 Co * 10,47min β - 1,18 0, Ba * 156 0,662 β - 60 Co 1, ,7d 0,31 1,48 2, Ba Obr. 1. Rozpadové chéma 137 C , i Obr. 2. Rozpadové chéma 60 Co V uvedených rozpadových chématech jou šikmými čarami zakreleny přechody pojené emií záření β - (E max v MeV) a kolmými čarami přechody emií záření γ (včetně přílušných energetických tavů v MeV vůči základnímu tavu 0). ři přeměně 137 C je emitováno záření γ energií 661,62 kev pravděpodobnotí emie p γ = 0,851 a při přeměně 60 Co jou emitovány fotony záření γ o energii 1173,24 kev, pravděpodobnotí emie p γ = 0,9985, a o energii 1332,50 kev, pravděpodobnotí emie p γ = 0,9998. Uvedené abolutní hodnoty pravděpodobnotí emie nejou uvedeny na obr. 1 a 2. Zjednodušeně lze uvét, že na 1 přeměnu radionuklidu 60 Co budou tak emitovány téměř 2 fotony, což je nutné i uvědomit, ohledem na definici aktivity, která je založena na přeměnách (rozpadech) jader a nikoli na počtu čátic, které přeměnu provázejí. Scintilační γ pektrometrie a analýza energetického pektra a výtupu mnohokanálového analyzátoru zíkáme diferenciální amplitudové pektrum d/dh, kde je počet impulů a H amplituda impulu, jehož příklad je na obr. 3.

2 2 Obr. 3. Amplitudové pektrum, kde je počet impulů a H je kanál Amplitudové pektrum zachycuje všechny interakční procey fotonů, ke kterým v detektoru - cintilátoru došlo. roto hrneme důledky interakce fotonů ve vztahu ke pektrometrii. Fotoefekt je proce zániku původního fotonu a předání jeho energie elektronu ve cintilátoru. Celá energie fotonu e deponuje ve cintilátoru a jí pak v amplitudovém pektru odpovídá tzv. pík totální aborpce rep. fotopík. ři Comptonově rozptylu e energie fotonu rozdělí mezi rozptýlený foton a elektron v záviloti na úhlu, o který e odchýlí foton od měru původního letu. echť do cintilačního detektoru ai:tl dopadaly monoenergetické fotony energií 661,62 kev, které emituje radionuklid 137 C. Odpovídající energetické pektrum je obr. 4. Obr. 4. Energetické pektrum záření gama radionuklidu 137 C emitujícího fotony energií E 662 kev naměřené cintilačním detektorem ai:tl (čárkovaně); jeho teoretický průběh (tučně). Ve pektru na obr. 4 jou na oe x vyneeny energie interagujících fotonů v detektoru. Toto pektrum vzniklo kalibrací původního amplitudového pektra (obr. 3). Kalibrací rozumíme určení záviloti velikoti amplitud impulů (číla kanálu) H odpovídajících maximům píků totální aborpce na energiích E monoenergetických fotonů. Tato závilot je lineární ve tvaru E = a H + b, kde a, b jou kontanty charakterizující

3 3 pektrometr. Hledaná závilot e tanovuje experimentálně zpravidla v proceduře energetická kalibrace pomocí ady monoenergetických zářičů nebo zářičů emitujících fotony dvou dotatečně vzdálených energií (obr. 5). Ve cintilační pektrometrii fotonového záření e čato užívají zářiče 241 Am (59,5 kev), 137 C (661,6 kev) a 22 a ( ,5 kev), přičemž v závorkách byly uvedeny energie E emitovaných fotonů. Energie (MeV) kanál 1, , , Obr. 5. Energetická kalibrace pektrometru pomocí zářičů 137 C a 60 Co. Comptonovo kontinuum na obr. 4 zachycuje všechny alternativy Comptonova rozptylu při interakci fotonů o energii 662 kev ve cintilátoru, tj. rozptyly fotonů pod všemi úhly. Mezní ituace rozptyl pod úhlem 180 o je vyznačen na obr. 4; při něm je elektronu předána maximální energie 478 kev (proto teoreticky Comptonova hrana) a foton odnáší zbývající čát vé původní energie, tj. 184 kev. Spektrum na obr. 4 zachycuje i další efekty, ke kterým ve cintilátoru ai:tl došlo: únik fotonů ze cintilátoru pojený emií charakteritického záření jódem (~29 kev). Dále pozorujeme regitraci charakteritického záření K érie dceřiného nuklidu 137 Ba (~32 kev), vznikajícího dle rozpadového chématu na obr. 1, a také regitraci K érie charakteritického záření b (~77 kev), jetliže měření probíhalo v olověném tínění. Hlavní příčinou neouladu mezi teoretickým a experimentálně zjištěným průběhem pektra je poměrně malá energetická rozlišovací chopnot cintilačního detektoru. Energetická rozlišovací chopnot je určena poměrem šířky píku totální aborpce E v jeho poloviční výšce (tzv. FWHM = Full Width at Half Maximum) a energie E regitrovaného monoenergetického záření a vyjadřuje e v %. Způob tanovení (relativní) energetické rozlišovací chopnoti, rep. jen FWHM, ilutruje obr. 6. Energetická rozlišovací chopnot rotoucí energií fotonů kleá. Obr. 6. Čát energetického pektra 137 C (pozadí bylo odečteno) a způob tanovení energetické rozlišovací chopnoti (rep. FWHM) podle její definice.

4 4 oloha píku totální aborpce v energetickém pektru tak umožňuje identifikovat radionuklidy, které přílušné monoenergetické fotony emitovaly. očet regitrovaných impulů v píku totální aborpce přílušného radionuklidu pokytuje potom informaci o aktivitách měřených radionuklidů za předpokladu, že při jejich tanovení zohledníme všechny podmínky, které mohly ovlivnit měření. Základním požadavkem pro zjištění počtu impulů v píku totální aborpce je tanovení čitého počtu impulů odečtením impulů pozadí v celé energetické oblati pektra tzv. ROI, která obahuje pík. Schématicky je tento potup znázorněn na obr. 7. Obr. 7. otup zjištění čitého počtu impulů C i v píku totální aborpce. Celkový čitý počet impulů =, kde je celkový počet impulů a je celkové pozadí v ROI. Stanovit aktivitu neznámého radionuklidu je možné dvojím způobem: relativní a abolutní metodou. ři relativní metodě e vychází z porovnání naměřeného energetického pektra (píků totální aborpce), které pokytl tzv. tandard či etalon (vzorek, jehož aktivitu známe) a energetického pektra neznámého radionuklidu. ejjednodušší bude případ, kdy neznámý vzorek bude obahovat tejný radionuklid jako tandard a bude mít geometricky hodnou formu a také měření jeho energetického pektra bude probíhat za zcela hodných podmínek jako měření e tandardem. Aktivitu neznámého vzorku A určíme pomocí známé aktivity tandardu A (k čau měření ovšem) podle vztahu n A A n n n n = =, (1) kde je celkový počet impulů v píku totální aborpce (ROI) a odpovídající pozadí, přičemž indexy označují vzorek (n), nebo tandard (). Jakoukoli odchylku v podmínkách měření vzorku ve rovnání e tandardem je nutno korigovat. K tomuto účelu louží korekční faktory, pomocí kterých je pak nutno přepočítat aktivitu vzorku. ejčatěji uplatňovanou korekcí je korekce na změnu geometrických podmínek měření (vzdálenot vzorku od detektoru a tvar vzorku). Relativní tanovení aktivity nepředpokládá nutně, aby vzorek obahoval tejný radionuklid jako tandard, ovšem ohledem na energetickou závilot detekční účinnoti detektoru pokytne tato relativní metoda upokojivé výledky pouze v případě, kdy budou porovnávané píky totální aborpce v energetických pektrech vzájemně blízké (vzdáleny od ebe do max. ± 10 %). V tomto případě bude na mítě také provedení odpovídajících korekcí na různé výtěžky fotonů o dané energii.

5 5 Stanovení aktivity neznámého vzorku abolutní metodou předchází nejprve identifikace radionuklidů, které vzorek obahuje. Omezíme-li e dále pouze na tanovení aktivity neznámého vzorku, který může být považován za bodový izotropní zářič a zelabení záření mezi zářičem a detektorem lze zanedbat, pak pro jeho aktivitu A [Bq] platí: n kde t p γ η Ω n n 4π An [ Bq] =, (2) t[] η Ω je tzv. live ča měření v (ča korigovaný na mrtvou dobu detektoru), je pravděpodobnot emie (výtěžek) fotonů o dané energii, je detekční účinnot detektoru v přílušném píku totální aborpce, je protorový úhel, pod kterým zářič ozařuje detektor. p γ Je-li d vzdálenot bodového zářiče umítěného v oe detektoru od jeho čela a r poloměr detektoru, pak 2 d r Ω = 2π 1 a pro d >> r platí Ω = π d + r d Elektronická měřící traa (cintilační pektrometr) cintilační detektor (ai:tl) ytém DigiBASE-K-1 (výrobce ORTEC) připojený k USB notebooku řídícím oftware Maetro (ORTEC). Úloha 1. Určení neznámého radionuklidu cintilační gama pektrometrií okyny k potupu a vyhodnocení měření a ke zpracování protokolu omocí řídícího programu Maetro natavte pracovní charakteritiky pektrometru tak, aby pík totální aborpce etalonu 137 C byl oblati kanálu 300. omocí etalonů 241 Am a 137 C proveďte energetickou kalibraci pektrometru. Stanovte energetickou rozlišovací chopnot pektrometru pro energii záření gama 662 kev 137 C. omocí vetavěné knihovny řídícího programu identifikujte neznámý zářič. Součátí protokolu budou všechny použité pracovní charakteritiky pektrometru, graf energetické kalibrace včetně analytického tvaru regrení křivky a všechna naměřená energetická pektra. Ve pektru etalonu 137 C bude vyznačen způob tanovení energetické rozlišovací chopnoti a ve pektru neznámého zářiče gama bude navíc označena Comptonova hrana a pík zpětného rozptylu. Úloha 2. Stanovení aktivity vzorku relativní a abolutní metodou okyny k potupu a vyhodnocení měření a ke zpracování protokolu ejprve potupujte bodle prvních dvou bodů předchozí úlohy. Stanovte aktivitu neznámého vzorku relativní metodou dle vztahu (1) a abolutní metodou dle vztahu (2) všechny nezbytné konkrétní hodnoty rep. vlatnoti včetně detekčních účinnotí dělí vedoucí cvičení. Součátí protokolu budou všechny použité pracovní charakteritiky pektrometru, naměřená energetická pektra a údaje použité k výpočtům. Aktivity budou tanoveny včetně tandardních nejitot.