318. Radioaktív sugárzás vizsgálata szilárdtest nyomdetektorral Feladat:
239
Pu
forrás
-sugárzásának detektálása cellulóz-nitrát nyomdetektor
segítségével, optimális előhívási idő meghatározása.
Elméleti alapok Nehéz ionizáló részecske erősen sugárrombolt csatornát hoz létre, ha kristályokon vagy szigetelő szilárd anyagokon halad át. A csatorna 5 nm átmérőjű, amely kémiai maratással 10 m méretűre felnagyítható és optikai mikroszkóppal megfigyelhető. A
nyomkialakulás
mechanizmusának
még
számos részletkérdése
tisztázatlan.
Legáltalánosabban az "ion-robbanás"-os elméletet fogadják el. Eszerint a nyomkialakulás mechanizmusa a következő: a nehéz töltött részecske pályája mentén ionizálja a szilárd anyag atomjait és erősen lokalizált, nagy sztatikus tértöltést hoz létre, amely az ionizált atomokat robbanásszerűen kilöki a helyéről. Polimerek esetén a hosszúláncú molekulák széttöredeznek, és a láncvégeken erősen reaktív helyek képződnek. A 2.1. ábra a kristályokban (a), ill. a polimerekben (b) lejátszódó folyamatot szemlélteti.
2.l.a. ábra: A nyomkialakulás mechanizmusa kristályokban
2.1.b. ábra: A nyomkialakulás mechanizmusa polimerekben A töltött részecske pályája mentén létrejövő sugárkárosodás mértéke az útegységen leadott energiától (J), és ezen keresztül az ionizált atomok sűrűségétől függ. A J értéke elméletileg a Bethe-formulával közelíthető:
J
aZ e2 2 ln( ) K 2 ( ) 2 2 1
(2.1)
amely a hidrogénben kialakuló elsődleges ionizáció mértékét adja meg. A formulában Ze az ionizáló részecske effektív töltése, "a" és "K" konstansok, =v/c a részecske relatív sebessége, () pedig relativisztikus sebességek esetén fellépő korrekció. A természetes radioaktív bomlásból származó alfa-részecskékre és a spontán- vagy alacsony energiával létrehozott maghasadás termékeire a fenti összefüggésben 2 és () elhanyagolható. A (2.1) formulából látható, hogy az ionizáció sűrűsége a pálya vége felé növekszik, így a detektorban keletkező sugárrombolt csatorna (primer nyom) csepp alakú, amelynek átmérője a pálya vége felé maximális. A sugárrombolt térfogatban megváltoznak az anyag kémiai tulajdonságai, ezért megfelelő oldószerben ezek a részek gyorsabban maródnak, mint környezetük. Minthogy az oldószer nem azonos módon fér hozzá a primer csatorna különböző pontjaihoz (az oldószer kezdetben csak a felülettel érintkezik), ezért a maratás a primer nyom
alakját eltorzítja. A maratott nyom amorf anyagban kúp alakú, melynek átmérője a pálya elején maximális. Ha az ionizáló részecskék a felületre merőleges irányban lépnek a detektorba, akkor a maratott nyom mikroszkópi képe köralakú, melynek átmérője a részecske energiájának, a detektor anyagának és a maratási körülményeknek (idő, hőmérséklet, oldószer–koncentráció) a függvénye. A kristályos szilárd anyagok oldódási sebessége a különböző kristálytani tengelyek irányában eltérő, ezért az ezekben maratott nyomok alakja az anyag kristálytani rendszerét mutatja. A 2.2. ábra a
252
Cf spontán hasadó anyag hasadási termékeinek nyomait szemlélteti
üvegben (amorf) és csillámban (kristály), míg a 2.3. ábra a Th(B+C) forrásból származó 6.0 % és 8.78 MeV energiájú alfa-csoportok nyomát mutatja cellulóz-nitrátban.
2.2. ábra: Hasadvány-nyomok üvegben és csillámban
2.3.ábra: Különböző energiájú alfa-részecskék nyomai cellulóz-nitrátban Mivel a részecskeenergia és a nyomátmérő közötti kapcsolat bonyolult, ezért célszerű azt kísérletileg meghatározni az adott detektorra, a besugárzó részecske típusára és a maratási körülményekre. A 2.4. ábra a nyomátmérő-energia kapcsolatot szemlélteti alfa-részecskék esetén. Nyonátmérő (m) 14 12 10 8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
6
7 Ealfa (MeV)
2.4. ábra: A nyomátmérő és az energia kapcsolata
A detektor anyaga cellulóz-nitrát, a maratószer 6 mol/dm3 koncentrációjú KOH, a maratási idő 9 perc, a maratási hőmérséklet 64,5 oC volt. Amint a 2.4. ábrából látható, a nyomátmérő-energia összefüggés 2 MeV felett egyenessel közelíthető. A leggyakrabban használt detektoranyagok adatait a 2.1. táblázat tartalmazza. A maratás időtartama a hívószer összetételétől és hőmérsékletétől függ. Műanyag detektorok esetén alkalmas hívószer a 6 mol/dm3 koncentrációjú NaOH vagy KOH, 50-60 oC hőmérsékleten 10, illetve 30 perces hívási idővel, míg a csillám maratása 40 tf %-os HF-ban történik szobahőmérsékleten 1-2 óráig; üveg esetén 5 tf%-os HF-ban néhány perc hívási idő szükséges. Csillámmal 20-30 órás maratási idő után a nyomüregek felveszik a kristályszerkezetre jellemző rombusz alakot. A csillámok és üvegek érzéketlenek a környezeti hatásokra, ezért ezekben a primer nyomok élettartama szobahőmérsékleten 1010 év. A detektort 1 óráig 500 oC-on tartva a nyomok eltűnnek. A műanyagok, különösen a cellulóz alapanyagúak, nagyon érzékenyek a fényre, hőmérsékletre, ózon– és oxigén-tartalomra, stb. Emiatt a detektort gyakran -15 oC-on tartják. 100-200 oC hőmérsékleten 1 óra alatt eltűnnek a nyomok, regenerálódik a detektor. 2.1. táblázat: Gyakran használt szilárdtest nyomdetektorok Detektor anyag
Kémiai összetétel
Sűrűség (g/cm3)
Cellulóz-nitrát
C6H8O9N2
1,33
Cellulóz-acetát
C12H18O7
1,22
Lexan, Makrofol
C16H14O3
1,20
Mylar
C12H16O7
1,35
Cellulóz–triacetát
C3H4O2
1,30
Üveg
Na2SiO3, CaSiO3
2,5
Muszkovit csillám
KH2Al3Si3O12
2,93
Speciális mérési körülmények (pl. merőleges beesés) biztosítására gyakran alkalmaznak műanyag fékező fóliákat. A 2.5. ábra példaként szemlélteti az alfa-részecske útegységre eső
energiaveszteséget cellulóz-triacetátban, míg a maximális hatótávolság makrofolban és levegőben a 2.6. ábrán látható.
dE/dx (keV/m)
300
250
0=
200
0=1000 eV 0=1000 eV
150
100
0=350 eV 50
0=350 eV
0 0
1
2
3
4
5
6
Ealfa (MeV)
2.5. ábra: Az alfarészecske specifikus energiavesztesége cellulóz-acetátban Hatótávolság (levegő: cm) (makrofol: 10m) 10 9 8 7 6 5 4
Levegő
3
Makrofol
2 1 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Ealfa (MeV)
2.6. ábra: Alfa–részecske hatótávolságának energiafüggése
9
10
A primer nyomok előhívása általában termosztátban történik. Viszonylag egyszerű és olcsó, de csak korlátozottan alkalmazható előhívó rendszert szemléltet a 2.7. ábra.
1: Fűtőtest 2: Metanol 3: NaOH, vagy KOH oldat 4: Detektor fólia 5a: Hűtővíz be 5b: Hűtővíz ki 2.7. ábra: Előhívó berendezés sematikus rajza
Az előhívó folyadékot metanol gőze veszi körül és azt állandó 64,5 oC hőmérsékleten tartja. A filmeket előhívás után csapvízben és desztillált vízben le kell mosni, majd megszárítani.
A gyakorlat leírása - Szükséges anyagok: cellulóz-nitrát film Pu-239 zárt sugárforrás 6 moldm-3-es KOH oldat desztillált víz celofán fólia
- Szükséges eszközök: előhívó berendezés mikroszkóp
Mérési feladat 1./ Indítsa meg a hívórendszerben a hűtővizet úgy, hogy az gyenge áramban folyjon, majd helyezze a hívóba a hőmérőt és kapcsolja be a fűtést! Ha a hőmérséklet elérte a 64,5 oC-ot, megkezdheti a hívást. 2./ Sugározzon be egy CN detektort alfa–forrással! 3./ Helyezze a besugárzott detektort a hívóba, várjon 10 percig, ezután mossa és szárítsa meg a filmet! Nézze meg mikroszkópon, hogy van-e részecskenyom a filmen! Ha van, mérje meg az átmérőjét okulárskála segítségével! Ezután ismételje meg a fenti műveleteket 5 perces hívási idővel mindaddig, amíg változik a nyomátmérő! 4./ 1, 2 ill. 3 réteg műanyag helyezzen a sugárforrás és a detektor közé. A 3. pontban megfelelőnek talált idővel hívja elő a filmet és mikroszkóp alatt figyelje meg a nyomokat! Balesetvédelmi tudnivalók:
A szerves oldószereknél ügyelni kell a tűzveszélyességükre, valamint arra, hogy a toluol irritáló, így a bőrrel való érintkezését kerülendő védőeszköz használata szükséges.
A minden laboratóriumban érvényes evést, ivást és dohányzást tiltó szabályokon túlmenően, az izotóplaborban tilos még: rágógumit rágni, a ceruza/toll végét rágni, kozmetikumot használni.
Izotóp laboratóriumban terhes és szoptatós anyák nem végezhetnek munkát, mivel a fejődő szervezetet nem szabad ionizáló sugárzás hatásának kitenni
Ellenőrző és zh kérdések: 1. A szilárdtest nyomdetektor működési elve. 2. Radon a környezetben. 3. α-sugárzás és az anyag kölcsönhatása. 4. Neutron sugárzás és az anyag kölcsönhatása. 5. Rajzoljon egy szilárdtest nyomdetektor előhívó berendezést.
