Gama spektroskopie Vojtěch Motyčka Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Teoretický úvod ke spektroskopii Produkce a transport neutronů v různých materiálech, které se v daných zařízeních vyskytují (urychlovačem řízené transmutory nebo jaderné reaktory) můžeme zkoumat pomocí malých vzorků různých materiálů - malé detektory neutronů Ty se vloží do sestavy a díky reakcím neutronů s atomovými jádry vznikají radioaktivní jádra Tuto metodu lze použít, chceme-li zjistit obsahy prvků v neznámé látce Složení neznámé látky lze určit i z velmi malého množství látky Musíme znát přesný neutronový tok (přímo v AZ nebo na výstupu HK nebo NZT kolony) Po ozáření látky je umístěna pod detektor záření (spektrometr), který funguje na principu změny energie, kterou s sebou nese záření
Teoretický úvod ke spektroskopii Detektor záření je připojen do elektrického systému na jeho konci počítač zobrazuje získaná data Detektor při měření musí být nastaven tak, aby dělal co nejmenší chyby Mezi hlavní cíle této práce patří: 1) Určit jak je ovlivněn výsledek měření, tím že měřené vzorky nejsou bodové, ale plošné (tvar čtverce 2x2 cm) 2) Poznat o jakou látku se jedná 3) Ověřit zda se naměřené hodnoty shodují s výsledky, které se dají získat ze simulačních programů??? Otázky??? 1) Můžeme používat simulační programy bez dalších korekcí 2) Jak se liší naměřené výsledky bodového a plošného zářiče
Příprava radioaktivních vzorků Připravit několik vzorků z jednoho materiálu (pro více měření můžeme zvolit i více materiálů, které chceme zkoumat) Nejvhodnější materiál pro měření: 197 Au (zlato) Ze stabilní izotopu zlata se stane radioaktivní izotop 198 Au velice snadno Rozumné energie záření gama Relativně vysoká intenzita gama linky Dvě možnosti přípravy radioaktivních vzorků: 1) Ozáření v jaderném reaktoru moderovanými neutrony s nízkou hodnotou energie = známe hustotu a energii neutronů 2) Využití urychlovače cyklotron = relativně homogenní pole
Ozáření vzorků v reaktoru LVR-15 Ozařujeme fólii a vzorek o velmi malých rozměrech (2x2 cm), aby mohl být později považován za bodový zdroj záření Při ozařování fólie musíme zajisti to, aby byla ozářena homogenně Pro bodový zdroj je důležitá jeho intenzita Tok neutronů v LVR-15 je značně velký a potřebného ozáření dosáhneme do 60 sekund Vložení vzorku do potrubní pošty Pro plošný zdroj můžeme využít ozáření v cyklotronu nebo v HK1 Pro ozařování plošného zdroje použijeme 2 fólie: 1. Je ozařována ze strany horizontal (horizontální poloha vůči podlaze) 2. Je ozařována ze strany veritcal (vertikální poloha vůči podlaze)
Ozáření vzorků v reaktoru LVR-15 Detektor zapojený do elektrického obvodu zachycuje energii záření gama Reakce fotonu gama přenese tuto energii na elektron a ten pomocí ní vytvoří nosiče náboje Ty způsobí v obvodu proudový impuls, který je zesílen a pomocí konvektoru převeden na digitální signál a do počítače Měřené vzorky jsou často jen slabě radioaktivní, proto je vzorek umístěn v boxu, který je z vnější strany tvořen olovem Záření gama je v proudu v jeho amplitudě zakódována V počítači speciální program udělá dobře čitelné spektrum záření se kterým dále pracujeme (formát.cnf)
Ozáření vzorků v reaktoru LVR-15 Poté se měření každá strana zvlášť Měření both, při kterém se obě strany měří zároveň Měření u plošného zdroje probíhá 3x ze 2 ozářených vzorků Po ozáření začnou vzorky produkovat záření gama, proto jej musíme vložit do blízkosti polovodičového detektoru a začít měření Oba typu zdrojů se proměřují v různých vzdálenostech od detektoru Vzdálenosti jsou: 15, 23, 33, 53, 70, 93, 173 [mm] Pro měření symetrie měřících schopností detektoru: Vzdálenosti: 2, 5, 8, 11, 14, 17, 20 [mm] plošný zdroj Vzdálenosti: 3, 6, 9,.27, 30 [mm] bodový zdroj
Prováděné výpočty Pomocí detektorů se snažíme určit, kolik fotonů záření gama se vyzáří z měřeného vzorku Pomocí softwaru Deimos32 získáme spektrum záření, kterém umístíme do tabulky a zjistíme, že izotop 198 Au má tyto energie při hodnotách 411,802 kev; 675,884 kev; 1087,684 kev Píky ve spektru záření gama záření budeme tedy hledat při těchto hodnotách Nalezneme-li daný pík, označíme jej a program automaticky vytvoří Gaussovu křivku, pomocí které se snaží co nejvíce připodobnit tvar píku této křivky Výsledky uložíme do tabulky Z tabulky se poté získají finální data o ploše zobrazeného píku Tabulka také vypíše přesnou energii vyzařovaného záření gama
Prováděné výpočty V zásadě se hodnoty neliší od tabulkových hodnot více jak o 0,4 kev Tento postup se dělá pro každé spektrum a pro každý ozářený materiál Všechny hodnoty měření vepisujeme do jiných tabulek (pro každé měření jinou) Hodnoty obvykle zapisujeme do tabulkového kalkulátoru MS Excel Po kompletní analýze dostaneme tabulku z velkým množstvím údajů Jelikož se vzorek měří v jednotlivých vzdálenostech postupně, ubíhá čas a tím i zanikají radioaktivní jádra ΔN změna rozpadlých jader za dobu Δt ʎ - rozpadová konstanta, která uvádí pravděpodobnost, že se za jednotku času rozpadne právě jedno jádro (jádra ubývají znaménko záporné)
Prováděné výpočty Po úpravě předchozího vzorce dostaneme vzorec: Rozdíl počtu jader mezi začátkem a koncem měření: Tento vzorec se upraví na: Při výpočtech nesmíme zapomenou na různé korekce vzorce, aby výtěžek byl nezávislý na dalších jevech: 1. Účinnost detektoru - ε p 2. Intenzita linky - I γ 3. Hmotnost vzorku m 4. Korekce mrtvého času - t dead
Prováděné výpočty Při porovnávání bodového a plošného zdroje platí, že čím menší zdroj tím menší jsou nepřesnosti Zároveň také platí, že čím větší vzdálenost od detektoru tím větší je nepřesnost Vzorec pro výpočet relativní chyby: A n naměřená hodnota ΔA n chyba naměřené hodnoty Získané spektrum neobsahuje pouze píky vyzařovaného vzorku, ale i gama linky z rozpadu jader v okolním prostředí
Prováděné výpočty Na všech korekcích a úpravách vzorce dostaneme: Z tabulky programu Deimos32 víme relativní chybu Gaussovy křivky, jsme tedy schopnu spočítat absolutní chybu počtu neutronů vlivem nepřesného přiblížení křivky k danému píku: ΔX relativní chyba udávána v % N výtěžek neutronů
Výsledky a grafy Závislost poměru naměřené aktivity plošného a bodového zdroje se stejnou aktivitou na vzdálenost zdrojů od detektoru
Výsledky a grafy Závislost změn efektivity na posunu vůči středu zleva doprava 411 kev
Výsledky a grafy Závislost změn efektivity na posunu vůči středu zepředu dozadu
Přílohy
Přílohy Detektor zde již umístěn v olověném obalu Schéma provádění měření pro plochý a pro bodový náboj
Přílohy Vzorky fólii používané pro stejné účely gama-spektrometrie Elektronika zaznamenávající impulsy z detektoru
Naše spektra Kalibrace spektrometru pomocí etalonového zářiče
Kalibrace etalonovým zářičem Kalibrace gama-spektrometru pomocí etalonového zářiče Zjištění správné funkčnosti přístroje Hlavní píky: Nuklid Aktivita (kbq) T ½, dny 241 Am 56.9 157800 57 Co 50.1 271.26 60 Co 53.12 1925.4 137 Cs 51.19 11019 88 Y??? 54.19??? 106.6???
Naše spektra Neznámý kovový váleček známe jeho složení???
Zjišťování složení neznámého válečku Váleček neznámého původu o délce 2mm a průměru do 1mm Zjištění přibližného složení podle spektrometru Ve vyšších energetických hladinách musíme počítat s přesností píku ± 1,3 2,0 kev Doba expozice: 15 minut, zač. 12:07, konec: 12:23 Zanedbání 56 Mn původ v samolepící pásce Hlavní píky vytvořili tyto radionuklidy: Nuklid 56 Mn 116 In 69 Zn
Naše spektra Thoriová punčoška pod gama-spektrometrem
Naše spektra Thoriová punčoška pod alfa-spektrometrem
Zjišťování složení thoriové punčošky Thoriová punčoška používána ve starých lampách veřejného osvětlení Zjištění přibližného složení podle spektrometru Ve vyšších energetických hladinách musíme počítat s přesností píku ± 1,3 2,0 kev Doba expozice: 32 minut, zač. 12:40, konec: 13:13 Zanedbání 56 Mn původ v samolepící pásce Hlavní píky vytvořili tyto radionuklidy: Nuklid 212 Pb 165 Dy 239 U Nuklid 146 Ga 194 Ir 129 Te
Naše spektra Ozářený smolinec výroba plutonia ( 239 Pu) a uranu ( 235 U)
!! Zjišťování složení smolince výroba plutonia!! Vzorek smolince rudy ze které se získává uran Zjištění přibližného složení podle spektrometru Ve vyšších energetických hladinách musíme počítat s přesností píku ± 1,3 2,0 kev Doba expozice: 32 minut, zač. 12:40, konec: 13:13 Zanedbání 56 Mn původ v samolepící pásce Hlavní píky vytvořili tyto radionuklidy: Nuklid 214 Pb 239 U 235 U Nuklid 239 Np 110 Ag 214 Bi Nuklid 214 Pb 132 Te 176 Lu
Konec??? Nějaké otázky???