Ćwiczenie LSC Pomiar stęŝenia radu Ra-226 w próbkach wody przy pomocy licznika α/β z ciekłym scyntylatorem WALLAC GUARDIAN 1414 α/β LIQUID SCINTILLATION COUNTER Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami metody pomiaru stęŝenia izotopu radu-226 w próbkach wody. Przygotowanie teoretyczne: 1. Schemat rozpadu izotopu Ra-226 i jego produktów. 2. Metody preparatyki chemicznej strącenia radu z próbki wody. 3. Równowaga promieniotwórcza. 4. Spektrometr α/β z ciekłym scyntylatorem (instrukcja w języku angielskim). 5. Sposób doboru optymalnej wartości parametru rozdzielenia impulsów od cząstek α i impulsów od cząstek β (pulse shape analysis-psa). Podstawowe informacje dotyczące tych zagadnień znajdują się w dodatku i cytowanej tam literaturze. Program ćwiczenia 1. Zapoznać się z instrukcją operacyjną spektrometru z ciekłym scyntylatorem Wallac Guardian 1414 α/β Liquid Scintillation Counter. 2. Wyznaczenie optymalnej wartości parametru PSA. 3. Nastawić program pomiaru i uruchomić pomiar dwóch próbek próbki blank i próbki zawierającej izotop radu-226 w równowadze z jego krótko-ŝyciowymi produktami. Czas pomiaru kaŝdej próbki wynosi 10 min. 4. Wydrukować wyniki pomiaru. Opracowanie wyników 1. Obliczyć wydajność pomiaru cząstek alfa (ε α ) i cząstek beta (ε β ) i ich niepewności. 2. Obliczyć aktywność izotopu radu-226 w zmierzonej próbce. CPM 3 C Ra 226 = [ Bq / dm ] Fα ε α V 60 C Ra-226 stęŝenie radu Ra-226 [Bq/dm 3 ], CPM zmierzona intensywność zliczeń na minutę w kanale alfa po uwzględnieniu zmierzonej intensywności zliczeń próbki blank w tym samym kanale, ε α wydajność pomiaru dla cząstek alfa, V objętość próbki wody [dm 3 ], z której zostały wytrącone izotopy radu, Czynnik 60 odpowiada ilości sekund w jednej minucie. F α - współczynnik opisujący narastania intensywności promieniowania alfa emitowanego z pierwiastków alfa promieniotwórczych powstałych w wyniku rozpadu izotopu radu-226 i jego produktów, po czasie upływającym od chwili strącenia radu z próbki wody (ewolucja promieniotwórcza). F α wynosi 4 kiedy zachodzi równowaga promieniotwórcza pomiędzy Ra- 226 z jego produktami krótkoŝyciowymi. 3. Obliczyć niepewność oznaczania izotopu radu-226
Dodatek 1. Schemat blokowy spektrometru α/β z ciekłym scyntylatorem Schemat ideowy spektrometru Guardian Wallac α/β Scintillation Counter jest przedstawiony na rys. 1. Rys. 1. Schemat blokowy spektrometru z ciekłym scyntylatorem Wallac Guardian α/β Zasada działania aparatury jest następująca: strącane izotopy w postaci odpowiedniego związku chemicznego zmieszanego z pewną ilością ciekłego scyntylatora w próbce preparowanej P. Próbkę umieszczono w komorze pomiarowej. W tej komorze są dwa fotopowielacze PMT1 i PMT2. Emitowanie promieniowania α i/lub β oddziałują z cząstkami scyntylatora wytwarzając kwanty świetlne, które wpadają do fotopowielaczy i zamieniają się na impulsy elektryczne. Te impulsy są wprowadzane do układu koincydencyjnego. W przypadku kiedy impulsy wywołane poprzez zabrudzenie naczynia próbki, to do UK tylko przychodzą impulsy z jednego PMT i na wyjściu układu UK nie ma impulsu. W ten sposób zmniejsza się poziom rejestrowanego tła. Impulsy właściwe są dodawane w układzie SUM i dalej wprowadzane do BAK. Jeśli jednocześnie z BGO przychodzi impuls do układu BAK razem z impulsem z układu SUM, to na wyjściu układu BAK nie ma impulsu. Takie przypadki często są powodowane przez promieniowanie kosmiczne. Przepuszczane impulsy z układu sumującego przez BAK są wzmacniane przez WZM i podawane do układu analogowocyfrowego, stąd impulsy zostają amplitudowo identyfikowane. Na podstawie wysokości amplitud impulsy są wysyłane do odpowiedniego kanału energetycznego i impulsy są zarejestrowane.. 2. Rad-226 i jego produkty krótko-ŝyciowe W przyrodzie istnieją cztery izotopy radu Ra-226 z szeregu uranowo-radowego (U- 238), Ra-228 i Ra-224 z szeregu torowego (Th-232) i Ra-223 z uranowo-aktynowego (U- 235). Izotopy Ra-226, Ra-224 i Ra-223 są alfa promieniotwórcze. Natomiast Ra-228 jest izotopem beta promieniotwórczym. Okresy rozpadu połowicznego w/w izotopów wynoszą odpowiednio: 1620 lat dla Ra-226, 5,75 lat dla Ra-228, 3,64 dnia dla Ra-224 i 11,4 dnia dla Ra-223. Ze względu na okres połowiczny, najwaŝniejszymi izotopami radu są Ra-226 i Ra- 228. W tym ćwiczeniu zajmuje się oznaczaniem stęŝenia tylko izotopu Ra-226. Schemat rozpadu radu 226 i jego produktów krótko-ŝyciowych jest przedstawiony na rys. 2.
ilorazu moŝna dobrać optymalną wartość parametru PSA. Rys. 2. Schemat rozpadu Ra-226 i jego krótko-ŝyciowych produktów Z schematu wynika, Ŝe stan równowagi promieniotwórczej w szeregu radowego ustala się po czasie równym co najmniej 3 razy okresu połowicznego rozpadu izotopu radonu-222, czyli 15 dni po zakończeniu preparatyki chemicznej. W stanie równowagi występują cztery izotopy alfapromieniotwórcze i dwa izotopy beta-promieniotwórcze o równej aktywności. Gdy wydajność zliczania cząstek alfa jest równa wydajności zliczania cząstek beta, to iloraz częstości zliczeń promieniowania beta do częstości zliczeń promieniowania alfa dla próbki zawierającej tylko izotopu Ra-226 w równowadze z jego produktami krótko-ŝyciowymi wynosi 0,5. Na podstawie tego 3. Blok Pulse Sharp Analysis (PSA) Blok PSA w spektrometrze α/β ma za zadanie rozdzielenia impulsów powstałych od promieniowania alfa od impulsów od promieniowania beta. Z teorii oddziaływania promieniowania jonizującego z ciekłym scyntylatorem wynika, Ŝe im cięŝsza jest cząstka jonizująca (im zdolność jonizacji jest lepsza) tym dłuŝszy jest impuls świetlny emitowany z scyntylatora (rys. 3). Fakt ten związany jest z tym, Ŝe cząstki, które mają duŝą zdolność jonizacji wybijają więcej elektronów do stanu tryplet, w wyniku czego, atom wraca do stanu podstawowego przez dłuŝszy czas. Natomiast cząstki mają mniejszą zdolność jonizacji wybijają elektrony na poziomy Single i wzbudzone atomy wracają do stanu podstawowego w krótszym czasie. Tak więc elektronicznie moŝna powiedzieć, Ŝe impulsy świetlne powstałe w wyniku oddziaływania promieniowania składają się z dwóch części szybka prompt i opóźniona delayed. Rys. 3. Kształty impulsów powstałych w wyniku oddziaływania promieniowania alfa i promieniowania beta z ciekłym scyntylatorem
W spektrometrze Wallac 1414 α/β liquid scintillation counter fabrycznie załoŝony jest zakres wartości PSA, która jest zdefiniowana jako iloraz pomiędzy ładunkiem całego impulsu do ładunku części szybkiej. MoŜna dobierać wartość PSA w przedziale od 1 do 250. Im wyŝsza jest PSA tym więcej impulsów zaliczanych do kanału alfa i odwrotnie. 3.1. Standardowy sposób dobierania wartości PSA Sposób standardowy dobierania parametru PSA polega na pomiarach dwóch próbek przy róŝnych wartościach PSA. Jedna próbka zawiera izotop beta promieniotwórczy np. Cl-36 (T 1/2 = 3,08 10 5 lat), a druga zawiera izotop alfa promieniotwórczy np. Am-241 (T 1/2 =458 lat). Przy kaŝdej wartości PSA oblicza się parametr tzw. Spillover czyli pomyłka. Dla źródła alfa Spillover określony jako iloraz pomiędzy intensywności zliczeń w kanale beta do sumy intensywności zliczeń w kanałach alfa i beta. Analogicznie moŝna definiować spillover dla pomiaru źródła beta, czyli iloraz pomiędzy intensywności zliczeń w kanale alfa do sumy intensywności zliczeń w kanałach alfa i beta. Na podstawie danych sporządza się wykresy tych dwóch Spillover ów w zaleŝności od PSA. Optymalną wartość PSA wyznacza punkt przecięcia dwóch krzywych (Rys. 4). X(%) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 105 120 125 130 135 140 145 150 wartości PSA Am-241 Cl-36 Rys. 4. Sposób standardowy dobierania parametru PSA 3.2. Szybki sposób dobierania wartości PSA W naszym przypadku moŝna dobrać wartość parametru PSA za pomocą próbki zawierającej tylko Ra-226 w równowadze ze swoimi produktami krótkoŝyciowymi. Jak wiadomo (por. paragraf 2), jeśli Ra-226 jest w równowadze ze swoimi krótkoŝyciowymi produktami i wydajność rejestracji detektora z ciekłym scyntylatorem jest taka sama dla promieniowania beta i promieniowania alfa, to przy próbce Ra-226 po uwzględnieniu tła, intensywność zliczeń w kanale beta musi być równa 1/2 intensywności zliczeń w kanale alfa. Jednak wydajność rejestracji detektora z ciekłym scyntylatorem dla promieniowania alfa wynosi 100 %, a dla promieniowania beta emitowanego od izotopów beta promieniotwórczych z grupy Ra-226 wynosi ok. 85 %. W rezultacie wartość optymalna parametru PSA przy ilorazie równym 0,425 (0,5x0,85=0,425).
4. Procedura - preparatyka izotopów radu z próbki wody ObniŜyć ph próbki wody o objętości ok. 2 dm 3 do wartości ok. 1 (kroplami HNO 3 3M), dodać 25 ml EDTA 0,25M, 5 ml Pb(NO 3 ) 2 0,1M, 20 ml BaCl 2 0,1M. Podgrzać próbkę do temperatury ok. 98 o C i powoli dodać 10 ml H 2 SO 4 3M, próbkę odstawić do następnego dnia. Zdekantować ciecz znad osadu, przemyć osad kilka razy poprzez dodawanie wody destylowanej i odwirowanie. Rozpuścić osad w roztworze EDTA 0,25M. Wytrącić osad powtórnie poprzez dodawanie 60 ml kwasu octowego 80%, zanotować czas wytrącenia osadu. Przemyć ponownie osad wodą destylowaną i wirować kilka razy. Osad przenieść do naczynia pomiarowego o objętości 22 ml. Zmieszać z 12 ml ciekłego scyntylatora w Ŝelu. Próbka jest gotowa do pomiaru na spektrometrze ciekłoscyntylacyjnym. Literatura: 1. WALLAC 1996 - User manual 1414 WinsSpectral, for software version 1.1. 2. Passo Jr C.J. & Cook G.T. 1994 - LSC Handbook of Environmental Liquid Scintillation Spectrometery. PACKARD 3. Nguyen Dinh Chau 2010 Promieniotwórczość naturalna wybranych wód mineralnych Karpat Polskich. JAK, Kraków.