Ćwiczenie 3+ Spektrometr promieniowania gamma z detektorem półprzewodnikowym HPGe (wersja B 2013)

Transkrypt

1 Ćiczenie 3+ Sektrometr romienioania gamma z detektorem ółrzeodnikoym HPGe (ersja B 2013) Cel ćiczenia Celem ćiczenia jest zaoznanie się z odstaami metody sektrometrii romienioania gamma, szczególności orzez: - rzeroadzanie kalibracji energetycznej sektrometru, - omiar aktyności radionuklidó gamma romieniotórczych z ykorzystaniem zorcó. Przygotoanie teoretyczne: 1. Aktyność, rozady romieniotórcze, romienioanie gamma (DzK 1995 rozdz. 1.1, 1.2, tab. 1.2). 2. Radionuklidy romieniotórcze środoisku (ykład). 3. Sektrometria romienioania gamma (dodatek oniŝej). 4. Detektory ółrzeodnikoe (DzK 1995 rozdz. 5.5); nieoboiązkoe. Program ćiczenia 1. Uruchomić, obecności roadzącego, sektrometr gamma i rogram akizycji i analizy danych Genie-2000 firmy Canberra. 2. Zaoznać się z działaniem rogramu Genie Przeroadzić kalibrację energetyczną sektrometru dla energii E oyŝej 60 kev. Wykorzystać unktoe źródła sektrometryczne Am-241, Ba-133, Cs-137, Co-60. W tym celu naleŝy: 4. Wykonać omiar idm dla tych źródeł. Czas omiaru 200 s. Zaisać idma zaróno formacie analizatora (*.cnf) jak i formacie tekstoym (*.tka). Korzystając z rogramu Genie-2000 określić, dla kaŝdego źródła, kanały analizatora odoiadające głónym liniom idmie, czyli głónym energiom romienioania gamma, emitoanego rzez źródło (or. DzK 1995 tab. 1.2, str. 12). Energie te ynoszą odoiednio: Am ,5 kev, Ba-133 m.in. 81,0 kev i 356 kev, Cs kev, Co kev i 1332 kev. 5. a. Przeroadzić kalibrację energetyczną sektrometru, tzn. yznaczyć graficznie zaleŝność energii romienioania gamma E od numeru kanału sektrometru ch. Oś OX numer kanału ch, oś OY energia E [kev] (moŝna skorzystać n. z rogramu Excell). Doasoać do unktó rostą E = a * ch +b (or. rys [DzK 1995]). b. Dla tych samych danych rzeroadzić kalibrację energetyczną sektrometru, korzystając z rogramu Genie Odczytać z rogramu i zaisać formułę oisującą zaleŝność E(ch). 6. Wykonać omiar idma nieznanej róbki. Czas omiaru 300 s. Zaisać idmo obu formatach. Korzystając z rogramu Genie-2000, określić kanały analizatora odoiadające głónym liniom idma. Korzystając z zaleŝności yznaczonej unkcie 5, yznaczyć energie romienioania gamma emitoanego rzez róbkę.

2 Zidentyfikoać radionuklid obecny róbce skorzystać z tabeli 1. 2 skrycie Praconi (DzK 1995 str. 12). 7. Wykonać omiar idma zorca IAEA-154 o znanej zaartości otasu K-40 i cezu Cs-137 (mleko roszku z okresu o aarii Czarnobylu). Zaisać idmo obu formatach. Zaznaczyć interesujące iki (Cs kev i 1461 kev K-40) i odczytać ich ielkość, czyli tz. ole od ikiem raz z nieenością (ielkość Area dolnym olu okna sektrometru). Zaznaczanie iku (ROI Region of Interest): ustaić kursor środku iku i ybrać kombinację klaiszy Ctrl + Insert. Zaznaczony obszar zmieni kolor na czerony. Aktyność łaścia sominanych radionuklidó e zorcu IAEA-154 ynosi, na r., odoiednio: K Bq/kg; Cs Bq/kg. 8. Wykonać omiar nieznanej róbki ziemi. Zaisać idmo obu formatach. Zaznaczyć interesujące iki (Cs kev i 1461 kev K-40) i odczytać ole od ikiem raz z nieenością. Oracoanie ynikó 1. Przeroadzić kalibrację energetyczną sektrometru - rzedstaić tabelkę z ynikami i ykres E(ch). Porónać formuły E(ch) otrzymane orzez doasoanie rostej do unktó dośiadczalnych (unkt 5a) oraz z ykorzystaniem rogramu Genie-200 (unkt 5b). 2. Porónać tabeli, yznaczone dośiadczalnie i tabelaryczne artości energii romienioania gamma radionuklidu zidentyfikoanego unkcie 6; yznaczyć zględną róŝnicę ( rocentach) między tymi artościami. 3. Narysoać idma zorca IAEA-154 i róbki ziemi. Zaznaczyć analizoane iki. Skorzystać z zaisanych czasie ćiczeń idm formacie tekstoym (*.tka) zaierają one, linia o linii, zliczenia oszczególnych kanałach analizatora ielokanałoego. 4. Wyznaczyć zaartość (aktyność łaścią) otasu K-40 i cezu Cs-137 badanej róbce ziemi i jej nieeność Skorzystać ze zoru. A N ( E) t = N ( E) t m m A C s gdzie A aktyność róbki (indeks ), zorca (indeks ), [Bq/kg], N oierzchnia od ikiem ( area ) o energii E róbki (), zorca (), t czas omiaru róbki (), zorca (), [s], m masa róbki (), zorca (), [g], C s oraka na samoabsorcję romienioania róbce zględem zorca rzyjąć artość 1,0. Nieeność oszacoać z raa rzenoszenia nieeności; rzyjąć, Ŝe artości u(t ), u(t ), u(m ), u(m ), u(c s ) są omijalne, a u(a ) = 3%. Literatura: DzK 1995 Dziunikoski B., Kalita S.J., Ćiczenia laboratoryjne z jądroych metod omiaroych, Wydanicta AGH, Krakó dostęne na htt://inntbg.bg.agh.edu.l/skryty3/0364/dziunikoski-kalita.df

3 Dodatek 1. Sektrometria romienioania gamma [Jodłoski 2005] 1.1 Układ sektrometryczny Sektrometria romienioania gamma jest metodą omiaru, umoŝliiającą yznaczenie idma energetycznego romienioania gamma, czyli rozkładu częstości ystęoania fotonó o danej energii. Znajomość tego rozkładu daje moŝliość badania róŝnych substancji romieniotórczych i zjaisk fizycznych. Rys. 2.1 rzedstaia schemat ideoy układu sektrometrycznego (sektrometru) romienioania gamma. Składa się on z detektora oraz toarzyszącej mu elektroniki. Podstaoe moduły elektroniki ystęujące standardoo to: zasilacz ysokiego naięcia, rzedzmacniacz, zmacniacz oraz analizator, zykle ielokanałoy. zasilacz ysokiego naięcia detektor ółrzeodnikoy rzedzmacniacz zmacniacz analizator ielokanałoy komuter PC PUR Rys Schemat ideoy sektrometru gamma z detektorem ółrzeodnikoym (na odstaie materiałó EG&G Ortec) Sektrometry romienioania gamma są uŝyane róŝnych dziedzinach nauki i techniki. Przedstaiona oniŝej charakterystyka odnosić się będzie rzede szystkim do układó rzeznaczonych do omiaró aktyności substancji romieniotórczych. W sektrometrach romienioania gamma stosoane są najczęściej, z oodu bardzo dobrej zdolności rozdzielczej, detektory ółrzeodnikoe. Kryształ ółrzeodnika umieszczony jest kriostacie zaeniającym róŝnię i niezbędne dla raidłoej racy detektora chłodzenie, zykle ciekłym azotem (LN2), znajdującym się naczyniu Deara. Zakres energii romienioania gamma, mierzonych rzez detektory ółrzeodnikoe zaleŝy od tyu detektora. NajniŜsze energie romienioania fotonoego, mierzone ze znaczącą ydajnością, ynoszą kilkaset ev (secjalne konstrukcje do omiaru niskich energii), zaś najyŝsze to kilkanaście MeV (duŝe detektory cylindryczne). Zdolność rozdzielcza detektoró cylindrycznych, yraŝona jako szerokość ołókoa iku kev (FWHM- full idth half maximum), rośnie z rozmiarami detektora. Jej tyoe artości minimalne ynoszą: dla energii 5,9 kev - 0,15 kev, dla 122 kev - 0,5 kev, zaś dla 1332 kev - 1,8 kev. Rys. 2.2 rzedstaia zaleŝność ydajności od energii dla najbardziej rozoszechnionych detektoró ółrzeodnikoych (ydajność definioana jest tym rzyadku, jako stosunek liczby fotonó gamma rejestroanych rzez detektor tz. fotoiku do liczby fotonó o tej energii emitoanych rzez źródło).

4 energia [kev] Rys Tyoe krzye zaleŝności ydajności od energii dla detektoró: (1) Si(Li), (2) HPGe lanarny, (3) HPGe cylindryczny z grubą arstą martą na rzedniej oierzchni kryształu, (4) HPGe cylindryczny z cienką arstą martą na rzedniej oierzchni kryształu (Debertin i Helmer 1988) Rodzaj i rozmiary stosoanego detektora, kształt kriostatu oraz materiał i grubość okienka dobiera się zaleŝności od charakteru lanoanego ekserymentu. W szczególności bierze się od uagę geometrię ekserymentu oraz oczekiane artości: zakresu mierzonych energii, ydajności detektora dla mierzonych energii i jego zdolności rozdzielczej. Charakter lanoanego ekserymentu determinuje rónieŝ geometrię róbki. Na rzykład rzy omiarze aktyności materiałó środoiskoych, stosuje się zykle róbki cylindryczne, usytuoane bezośrednio na detektorze lub róbki tz. geometrii Marinelli. Czynnikiem mającym znaczący ły na dokładność omiaró jest oziom tła romienioania. Jego ielokrotną redukcję zaenia stosoanie róŝnego rodzaju osłon, tym osłon biernych (ścianki z ołoiu) lub czynnych (detektory omocnicze i elektroniczna eliminacja tła). Wynikiem omiaru sektrometrycznego jest rozkład liczby imulsó oszczególnych rzedziałach ich amlitudy ( kanałach ), czyli tz. idmo romienioania. Charakterystycznym elementem idma są tz. iki, czyli maksima zliczeń, a złaszcza fotoiki, czyli maksima, odoiadające całkoitej absorcji romienioania gamma detektorze efekcie fotoelektrycznym. Do analizy idma romienioania słuŝą rogramy komuteroe, które identyfikują iki, a nastęnie określają ich arametry (ołoŝenie, ole od ikiem, szerokość ołókoa, ielkości oisujące jego kształt it.). Parametry te moŝna yznaczyć bądź rzez bezośrednią analizę liczby zliczeń oszczególnych kanałach bądź rzez doasoanie do iku funkcji analitycznej, zykle funkcji Gaussa. Obecnie dostęne są akiety rogramó zaeniających ełną obsługę ekserymentu sektrometrycznego. Dostęne są komercyjne ersje takich rogramó; najbardziej rozoszechnione to Genie 2000 firmy Canberra i Gamma Vision firmy EG&G Ortec Kalibracja energetyczna sektrometru, yznaczanie aktyności Identyfikacja nuklidó obecnych róbce ymaga rzeroadzenia kalibracji energetycznej sektrometru. Bazuje ona na omiarze idma jednego lub kilku nuklidó o dobrze określonych energiach romienioania gamma. Na odstaie analizy tych idm

5 otrzymuje się, dla kaŝdego z ybranych ikó, jego ołoŝenie, określone rzez numer kanału analizatora x, oraz odoiadającą mu energię romienioania E. Do tych danych doasouje się ciągłą zaleŝność E(x). Mimo, Ŝe jest to raktyce zaleŝność linioa - dla sółczesnych sektrometró odchylenia od linioości nie rzekraczają 0,1% - zykle, dla osiągnięcia jeszcze iększej dokładności kalibracji, oisuje się E(x) funkcją kadratoą. W rzyadku, gdy dysonujemy zorcem zaierającym radionuklid, będący rzedmiotem omiaru (n. Cs-137), aktyność tego nuklidu róbce yznacza się orónując ielkość ikó (ochodzących od badanego nuklidu) dla zorca N i róbki N. Korzysta się ze zoru: N ( E) t m A = A Cs N ( E) t m gdzie: A aktyność róbki (indeks ), zorca (indeks ) [Bq/kg], N oierzchnia od ikiem ( area ) o energii E róbki (), zorca (), t czas omiaru róbki (), zorca () [s], m masa róbki (), zorca () [g], C s oraka na samoabsorcję romienioania róbce zględem zorca. Literatura: Jodłoski 2005 Jodłoski Paeł, Sektrometria romienioania gamma rób środoiskoych; nuklidy romieniotórcze środoisku rzyrodniczym Gorcó, Praca doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Krakó 2005.