Spektrometria promieniowania β z użyciem ciekłego scyntylatora.

Jacek Pączkowski Gdańsk,. 09. 2013 r. Spektrometria promieniowania β z użyciem ciekłego scyntylatora. 0 Cel ćwiczenia W ćwiczeniu Pomiar promieniowania β w liczniku z ciekłym scyntylatorem wykonany zostanie pomiar próbek o małych aktywnościach wysyłających promieniowanie β lub α. W licznikach z ciekłym scyntylatorem używane są organiczne związki jako detektor, zazwyczaj w postaci jednorodnej mieszaniny (roztworu) koktajlu scyntylacyjnego i badanej radioaktywnej próbki. Technika ciekłych scyntylatorów została rozwinięta do pomiarów próbek wysyłających promieniowanie β o niskich energiach, pozwala zmierzyć na przykład promieniowanie β trytu. Technika ta pozwala też mierzyć aktywności od pojedynczych rozpadów na minutę. Układ z ciekłym scyntylatorem można używać również do detekcji promieniowania α. 1 Zagadnienia do przygotowania 1. Rozpady promieniotwórcze β i α.. 2. Zjawisko scyntylacji i proces wzbudzenia i scyntylacji w ciekłych scyntylatorach organicznych. 3. Spektroskopia promieniowania β i α. 4. Budowa detektorów promieniowania wykorzystujących scyntylatory

ciekłe. 5. Metody pomiaru i analizy rozkładu amplitud impulsów w układzie mierzącym próbki rozpuszczone w ciekłym scyntylatorze: analizator wielokanałowy - zasada działania, układy koincydencji. 2 Zadania do wykonania 1. Przygotowanie układu - licznika TriCarb 2810TR do pomiaru. (Zazwyczaj układ oraz komputer sterujący pomiarem jest włączony. Jeżeli tak nie jest należy włączyć wymienione urządzenia i poczekać na uruchomienie się systemów i ich autokonfigurację.) 2. Przygotowanie próbek do pomiaru. 3. Kalibracja energetyczna licznika przy pomocy źródeł wzorcowych. 4. Pomiar tła. 5. Umieszczenie próbek w kasetach. 6. Wybór protokołu pomiarowego. W przypadku gdy nie ma gotowego protokołu w protokołach zapisanych w programie QuantaSmart to przygotowujemy procedurę która będzie dostosowana do mierzonych próbek (aktywność, izotopy) definiując nowy protokół pomiarowy. 7. Wykonanie pomiaru. Określenie aktywności i rodzaju izotopów zawartych w badanych próbkach. 8. Analiza zebranych danych. 3 Ciekłe scyntylatory i ich wykorzystanie do spektrometrii promieniowania β i α. 3.1 Ciekłe scyntylatory Oddziaływanie cząstek naładowanych poruszających się z dużą prędkością w ośrodku materialnym prowadzi do między innymi do jonizacji atomów lub cząsteczek tego ośrodka lub ich wzbudzenia. Strata energii na jonizację

i wzbudzenia na jednostkę drogi opisana jest wzorem Bethego_Blocha: [ me β 2 c 2 γ 2 T max γβ de 1 1 2 Z =Kz ρ 2 ln 2 β 2 δ 2 dx A β 2 2 I ] gdzie K= - - e2 N A 4π ε 20 me c 2, de strata energii na jednostkę drogi cząstki naładowanej o energii dx relatywistycznej, - średni potencjał jonizacji ośrodka, I T max oznacza maksymalną energię przekazywaną do ośrodka w oddziaływaniu z elektronem me - masa elektronu mają swoje zwykłe znaczenie. e,v q=ze ładunek padającej cząstki β=v / c (iloraz prędkości cząstki i prędkości światła 1 - γ = 1 β 2 2 - δ γβ poprawka dla dużych energii 2 Znaczna część energii tracona jest w procesach, które nie prowadzą do jonizacji, a jedynie powoduj wzbudzenie obojętnych atomów lub cząsteczek. Energia wzbudzonych atomów, jonów lub cząsteczek jest przekazywana do ośrodka i zamieniana na energie termiczną w procesach przejść bezpromienistych i związanych z emisją fotonów. Istnieje grupa ośrodków dielektrycznych, które są przezroczyste dla pewnych długości fal fotonów emitowanych przez atomy, jony lub cząsteczki wzbudzonego ośrodka. Fotony takie mogą być wykryte po wyjściu z tego ośrodka. Stwierdzamy, że liczba takich fotonów jest proporcjonalna do energii straconej przez cząstkę wysokoenergetyczną w ośrodku. Takie ośrodki

nazywamy scyntylatorami. szlachetne, niektóre Do grupy monokryształy scyntylatorów należą nieorganiczne i gazy organiczne, nieorganiczne materiały polikrystaliczne, węglowodory aromatyczne i inne. Dokładność statystyczna liczby obserwowanych fotonów w scyntylatorach w fazie skondensowanej jest z wielu powodów gorsza niż w detektorach gazowych ale korzyści wynikające z o wiele większej zdolności hamowania ciał stałych i cieczy rekompensuje rozrzut liczby fotonów luminescencji. Spośród ciekłych materiałów scyntylacyjnych ważna klasę stanowią związki z pierścieniem benzenowym. Przykładem może tu być toluen. Wzbudzenie elektronów tworzących wiązanie π powoduje luminescencje tych cząsteczek. Koktajle scyntylacyjne są mieszaninami (roztworami) rozpuszczalnika, scyntylatora i ewentualnie wtórnego scyntylatora, używanego do dopasowania widma fluorescencji do charakterystyki fotokatody. Jak wspomniano, rozpuszczalniki stosowane w ciekłych scyntylatorach są związkami aromatycznymi, których elektrony π są łatwo wzbudzane przez promieniowanie opisuje ten proces współczynnik bezpośredni jonizujące. Ilościowo S okreśłony formułą: A=S W gdzie A - oznacza liczbę molekuł rozpuszczalnika wzbudzonych do stanu W oznacza energię S 1x cząstek przekazaną rozpuszczalnikowi przez cząstkę bezpośrednio jonizującą. Dla przykładu S=100 1 100 ev dla toluenu, S=85 1 100 ev dla benzenu, S=110 1 100 ev dla p-ksylenu. Przekazywanie energii pomiędzy rozpuszczalnikiem, a pierwotnym scyntylatorem powinno zachodzić z maksymalnym prawdopodobieństwem. Wydajność tego przekazu określana jest współczynnikiem f, który osiąga wartość bliską 1 dla dobrych scyntylatorów. Scyntylatory powinny charakteryzować się jeszcze:

- krótkim czasem życia stanu wzbudzonego, - dużą wydajnością fluorescencji, - nie nakładaniem się widm emisyjnych i absorpcyjnych, - brakiem samogaszenia i odpornością na czynniki gaszące, - dopasowaniem widma emisyjnego do parametrów fotokatody, - dobrą rozpuszczalnością, - chemiczną pasywnością wobec materiału próbki. W celu porównania różnych scyntylatorów wprowadzono współczynnik jakości F : F =S f q m gdzie q oznacza kwantową wydajność fluorescencji, m oznacza współczynnik dopasowania spektralnego fotokatody. Na przykład F=73 dla roztworu PPO ( 2,5- difenyloksazol) w toluenie (3g/l). Wtórny scyntylator wysyłanego przez służy koktajl do dopasowania scyntylacyjny widma do widma promieniowania absorpcyjnego fotokatody. Typowe związki używane jako wtórny scyntylator to POPOP, Bis-MSB, BBO, dimethyl-popop, DPHT. Obecnie wyjątkowo występuje sytuacja, w której trzeba przygotować ciekły scyntylator dla danego eksperymentu. Zazwyczaj kupuje się gotowe koktajle scyntylacyjne przygotowane przez producentów sprzętu do analiz radiochemicznych tak też będziemy postępować wykonując ćwiczenia w objęte tą instrukcją. Podsumowując transport energii w ciekłym scyntylatorze (od cząsteczki bezpośrednio jonizujacej do energii światła): materiał radioaktywny jest mieszany w naczyniu pomiarowym z koktajlem scyntylacyjnym, składającym się z rozpuszczalnika (S) i scyntylatora, molekuły (F). Celem jest otrzymanie jednorodnego systemu próbka-scyntylator. radioaktywny izotop próbki wysyła naładowaną cząstkę o energii z

zakresu kev do MeV. cząstka jonizująca oddziaływuje z cząsteczkami rozpuszczalnika (S), stanowiącego dominujący powoduje jonizację ( składnik S S e koktajlu scyntylacyjnego ) albo wzbudzenie ( S S i albo ) cząsteczek rozposzczalnika. Średnio utworzenie pary jonów wymaga energii 20 ev. zjonizowane cząsteczki rozpuszczalnika rekombinują z elektronami i powstają neutralne wzbudzone molekuły ( następuje transfer rozpuszczalnika S 2 F S 2 F lub do energii wzbudzenia cząsteczek S e S do ). innych luminoforu: cząsteczek S 1 S 2 S 1 S 2 lub wzbudzone cząsteczki scyntylatora przechodzą do stanu podstawowego emitując kwanty w zakresie ultrafioletu lub widzialnym, 380-425 nm ( F F=h ν ). Koktajl scyntylacyjny i naczynie są przezroczyste dla emitowanego światła. błysk światła jest rejestrowany przez fotopowielacze. Czas trwania błysku wynosi około 5ns. Liczba wysłanych fotonów pozostawionej przez naładowaną zjonizowanych/wzbudzonych molekuł. proporcjonalna do energii cząstkę, W to dobrych jest koktajlach liczby jest emitowane około 12 fotonów światła na 1 kev energii pozostawionej przez cząstkę β. 3.2 Budowa spektrometru z ciekłym scyntylatorem. Do pomiarów w ćwiczeniu uzywany jest spektrometr scyntylacyjny firmy PerkinElmer, Tri-Carb model 2810TR LSA.

Rysunek 1. Spektrometr Tri-Carb 2810 TR Spektrometr składa się z: układu transportu próbek w spektrometrze można umieścić czterysta standardowych naczynek pomiarowych bloku detekcji, na który składa się komora pomiarowa, dwa fotopowielacze wraz z przedwzmacniaczami, osłon biernych, źródła wzorcowego 133 do Ba automatycznego pomiaru gaszenia luminescencji w próbce układu obróbki sygnału (układy koincydencji, analizator wielokanałowy), Rys.2. układów interfejsu i sterowania. komputera PC z oprogramowaniem do sterowania i analizy danych, połączony ze spektrometrem przez USB.

Rysunek 2. Schemat układu przetwarzania sygnału pomiarowego w liczniku scyntylacyjnym TRI-CARB 1810TR. 4 Pomiar widm energetycznych promieniowania beta pomocy spektrometru z ciekłym scyntylatorem 4.1 Przygotowanie próbek Próbki które mają być mierzone w liczniku TriCarb 2810 TR należy umieścić w standardowych pojemnikach. Substancja badana jest zalewna odpowiednim scyntylatorem. Właściwą i najbardziej korzystna sytuacją jest rozpuszczenie się badanej substancji w scyntylatorze. Równie dobrą sytuacją jest powstanie zawiesiny koloidalnej. Tak przygotowana próbka zapewnia geometrie pomiaru 4π. Natomiast niedopuszczalne jest rozdzielenie się faz koktajlu scyntylacyjnego i substancji zawierającej izotop. Dlatego, w przypadku, gdy nie jesteśmy pewni, czy badana próbka rozpuści się w danym scyntylatorze, powinniśmy wykonać próbę

rozpuszczalności. Można jednak stosować ciekły scyntylator do próbek, które nie ulegają rozpuszczeniu, np. sączki lub absorbenty zawierające frakcje badaną. Wtedy scyntylator wypłukuje związki zawierające izotop. Obecność sączków wpływa na wynik pomiaru aktywności próbki. Geometria pomiaru może być bliska 2π, co należy uwzględnić przy analizie niepewności pomiaru i obliczaniu aktywności. Uwagi dotycząca bezpieczeństwa pracy z izotopami: przygotowanie próbek zawierających izotopy może być wykonane wyłącznie w pracowni izotopowej odpowiedniej klasy, czyli w pomieszczeniach wyposażonych w wyciąg radiochemiczny, wentylację, magazyn odpadów i źródeł otwartych promieniowania jonizującego, urządzenia do monitorowania skażeń promieniotwórczych. W naszej pracowni prac takich nie wykonujemy. można pracować źródłami promieniotwórczymi w pojemnikach pomiarowych poza pracownią izotopową, o ile nie otwieramy ich i ich aktywność kwalifikuje do wyłączenia. Należy jednak dbać o to, aby takich próbek nie uszkodzić i nie doprowadzić do rozproszenia zawartych w nich substancji (mimo znikomej ich aktywności). można przygotowywać próbki z materiałów o naturalnych aktywnościach w zwykłej pracowni chemicznej 4.2 Umieszczenie próbek kasetach Przygotowane i oznaczone standardowe pojemniki z próbkami należy umieścić w kasetach. W pierwszej kasecie umieszczamy flagę oznaczającą numer procedury protokołu pomiarowego. Należy zapisać kolejność w jakiej umieszczamy próbki. 4.3 Włączenie spektrometru włączamy zasilanie spektrometru TriCarb.

uruchamiamy komputer sterujący pomiarem. Oprogramowanie sterujace pomiarem QuantaSmart uruchomi się po wystartowaniu systemu. 4.4 Program QuantaSmart. Sterowanie pracą spektrometru scyntylacyjnego oraz akwizycje i analizę danych pomiarowych wykonujemy przy pomocy oprogramowania QuantaSmart. Program ten pracuje w systemie Windows standardowego i używa układu menu i interfejsów. Rysunek 3. Zrzut ekranu programu QuantaSmart. 4.5 Kalibracja spektrometru Jeżeli jest to konieczne na przykład spektrometr był wyłączony przed pomiarem należy najpierw wykonać procedurę kalibracyjną: używamy w tym celu kasety z wzorcami, naczynka z wzorcami należy umieści w kolejności: wzorzec 14 C, wzorzec 3 H, wzorzec tła. kaseta powinna być oznaczona flagą SNC. Flagę resetujemy przed umieszczeniem kasety w spektrometrze.

uruchamiamy pomiar wybierając protokół SNC. Podczas kalibracji automatyka spektrometru koryguje napięcie zasilające fotopowielacze tak, aby wyrównać wzmocnienie w kanałach pomiarowych i dostosować je do sygnału luminescencji, tak że cały zakres pomiaru analizatora wielokanałowego odpowiada energii maksymalnej cząstek β równej 2MeV. Parametry procedury kalibracji ustalamy wybierając z głównego menu zakładkę IPA (Rys. 4) Rysunek 3. Okno dialogowe ustawiania parametrów kalibracji IPA. Zmiany tych parametrów są konieczne w przypadku wymiany wzorców kalibracyjnych. 4.5 Umieszczenie kaset z próbkami do badania w liczniku TriCarb 2810 TR. Kasety umieszczamy, pamietając że przesuwają się w kierunku

przeciwnym do kierunku obrotu wskazówek zegara. Pierwsza kaseta powinna być oznaczona flagą. Flagę na kasecie ustawiamy w pozycji reset. 4.6 Wybór protokołu pomiarowego. Protokół pomiarowy wybieramy przyporządkowując flagę, której użyto do oznaczenia kasety do protokołu określonego w programie terminem assay. W tym celu wybieramy właściwą flage w menu (tak, żeby była zaznaczona ). Następnie wybieramy menu file associate assay i z rozwiniętej listy wybieramy nazwę protokołu, którego chcemy użyć. Sprawdzenie parametrów pomiaru i ich ewentualną korektę wykonujemy przechodząc do file assay. Z rozwiniętej listy wybieramy nazwę protokołu ( assay ), pojawi się okno dialogowe opisu protokołu. Wybieramy zakładki w tym oknie i sprawdzamy lub korygujemy wartości parametrów opisujących pomiar: czas pomiaru, ilość powtórzeń, krzywą gaszenia, długość pomiaru zewnętrznego wzorca i inne.. 4.7 Uruchomienie pomiaru: Pomiar uruchamiamy poprzez menu Run - Start, lub poprzez zielony przycisk na pasku statusu programu QuantaSmart. Podobnie możemy zatrzymać pomiar używamy czerwonego przycisku z pasku statusu. 4.8 Zapisanie wyniku do pliku. Należy wybrać nazwę pliku i zapamiętać jego położenie. Uwaga: wyniki zapisują sie automatycznie do pliku pod warunkiem, że wybrano taką opcję konfigurując protokół pomiaru (ang. assay). Wydruk widm lub zapisanie ich na nośnik. 4.9 Analiza wyników Poniżej cytujemy przykładowy raport

-----------------Assay Definition Assay Description: Basic CPM assay Assay Type: CPM Report Name: Report1 Raw Results Path: C:\Packard\Tricarb\Results\jp\14C_CPM_j2\20130926_1507\20130926_1507.results RTF File Name: C:\Packard\Tricarb\Results\jp\14C_CPM_j2\20130926_1507\Report_C14.rtf Assay File Name: C:\Packard\TriCarb\Assays\14C_CPM_j2.lsa Additional Data Files Generated with this Protocol: Report1 [Text] Report_C14.txt [RTF] Report_C14.rtf Count Conditions Nuclide: 14C Quench Indicator: tsie/aec External Std Terminator (sec): 0.5 2s% Pre-Count Delay (min): 0.00 Quench Set: n/a Count Time (min): 10.00 Count Mode: Normal Assay Count Cycles: 1 Repeat Sample Count: 1 #Vials/Sample: 1 Calculate % Reference: Off Background Subtract Background Subtract: Off Low CPM Threshold: Off 2 Sigma % Terminator: Off Regions LL UL A 0.0 156.0 B 4.0 156.0 C 0.0 0.0 Count Corrections Static Controller: On Luminescence Correction: n/a Colored Samples: n/a Heterogeneity Monitor: n/a Coincidence Time (nsec): 18 Delay Before Burst (nsec): 75 IPA Block Data 3H E^2/B (1-18.6 kev): 256.86 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM 14C E^2/B (4-156 kev): 457.47 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM 3H Efficiency (1-18.6 kev): 62.52 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM 14C Efficiency (4-156 kev): 93.35 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM IPA Background Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM

3H Background CPM (1-18.6 kev): 15.22 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM 14C Background CPM (4-156 kev): 19.05 Date Processed: 9/26/2013 1:05:45 PM 3H Calibration DPM: 275900 3H Reference Date: 3/14/2012 14C Calibration DPM: 131000 Cycle 1 Results S# Count Time CPMA CPMB SIS tsie MESSAGES A:2S% CPMa DPM1 P# CPMC DATE TIME Eff Nuc1 In A Bq:1 1 10.00 125506 121619 160.69 986.16 0.18 0 2 0 9/26/2013 3:07:52 PM 0.00 0.000 2 10.00 12108 11904 36.70 234.52 0.57 0 2 0 9/26/2013 3:19:46 PM 0.00 0.000 3 10.00 14772 14531 40.14 247.97 0.52 0 2 0 9/26/2013 3:31:24 PM 0.00 0.000 4 10.00 29791 29292 38.79 249.08 0.37 0 2 0 9/26/2013 3:43:00 PM 0.00 0.000 5 10.00 24944 24536 39.88 250.47 0.40 0 2 0 9/26/2013 3:54:39 PM 0.00 0.000 6 10.00 21 20 647.50 436.93 13.87 0 2 0 9/26/2013 4:06:14 PM 0.00 0.000 7 10.00 134 131 166.52 246.01 5.47 0 2 0 9/26/2013 4:17:50 PM 0.00 0.000 ------------Definicje wielkości wymienionych raporcie: CPM - zliczenia na minutę DPM ilość rozpadów w próbce w ciągu minuty. Odpowiada aktywności. Efficiency = CPM/DPM FOM (figure of merit) FOM= (Efficiency)2 /B, gdzie B oznacza częstość zliczeń tła w [1/min] SIS (widmowy indeks próbki)dany wzorem: U X n x SIS=K x=l U x= L n x gdzie K - parametr stały dla danego nuklidu, x numer kanału n(x) liczba impulsów o energii odpowiadającej kanałowi x L, U dolny i górnu poziom dyskryminacji 5 Uwagi do opracowania pomiarów.

Przy pomiarach wykonywanych na spektrometrach wyposażonych w analizatory wielokanałowe i oprogramowanie je obsługujące otrzymujemy widma oraz wyniki analizy widm. Należy skonsultować się z dokumentacją oprogramowania, żeby ocenić pracę algorytmów i obliczane niepewności procedur numerycznych i pomiarowych. Zmierzone aktywności służą do wyciągnięcia wniosków w procedurach analitycznych. Literatura 1. Adam Strzałkowski Wstęp do fizyki jądra atomowego PWN Warszawa 1978 2. J. B. A. England Metody doswiadczalne fizyki jądrowej PWN Warszawa 1980 3. J. B. Birks The yheory and prctice of scintillation counting Pergamon Press 1969 4. 8860038A QuantaSmart Getting Started Manual PerkinElmer 5. 8860039A QuantaSmart Reference Manual PerkinElmer 6. E. Funfer, H. Neuert Liczniki promieniowania PWN Warszawa 1960 7. E. Skrzypczak, Z. Szefliński Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych PWN Warszawa 1995 8. C. Kittel Wstęp do fizyki ciała stałego 1974