ÚSTAV ANALYTICKÉ CHEMIE
Gama spektroskopie pracovní text pro Podzemní výukové středisko JOSEF
Jan Fähnrich, Kateřina Vídenská a Patrik Kania
2010
Obecné základy Gama spektroskopie je nedestruktivní analytická metoda, kdy zkoumaný vzorek není analýzou nikterak poškozen, a přesto poskytuje informaci o svém složení. Podstatou je studium energie gama záření emitovaného radionuklidy přítomnými ve zkoumaném vzorku, například ve vzorku geologickém. Označení radionuklid je používáno pro jádro atomu, jež má přemíru energie a je tedy energeticky nestabilní. Tato nestabilita se nejčastěji projevuje rozpadem původního atomu a vznikem nové atomové částice, kdy doprovodným jevem může být i emise gama záření. Typické energie gama záření různých radionuklidů se pohybují v rozmezí od 0,01 do 10 MeV (1eV = 1,60.10-19J). Jde tedy o tvrdé elektromagnetické vlnění, tzn. s malou vlnovou délkou (10-10-10-14m). Závislost četnosti emitovaných fotonů na jejich energii je označována jako gama spektrum vzorku. Každý radionuklid je víceméně jednoznačně charakterizován energiemi vyzařovaného gama záření a jejich relativní intenzitou. Gama spektroskopii lze tedy využít pro kvalitativní i kvantitativní stanovení některých radionuklidů, jež se ve sledovaném systému nacházejí. Jako dodatečná charakteristika může v některých případech sloužit poločas rozpadu. To je doba, za kterou se rozpadne jedna polovina původně přítomných radionuklidů daného typu. Energie gama záření emitovaného jednotlivými radionuklidy je určena rozdílem energií stavů jádra, které jsou zanedbatelně ovlivňovány okolím jádra. Proto jsou spektrální čáry v ideálním gama spektru velice úzké. Jejich experimentální šířka v naměřeném spektru je určena rozlišovací schopností použitého spektrometru. Z vyvinutých typů detektorů (ionizační komory, proporcionální detektory, Geiger-Müllerovy, scintilační detektory) je dnes nejlepší rozlišení dosahováno polovodičovými detektory. Detektor tohoto typu je použit v této práci. Než gama foton emitovaný radionuklidem dorazí do detektoru, prochází vrstvami různých prostředí. Zde mohou probíhat sekundární interakce, které zeslabují tok gama fotonů a mění ideální tvar gama spektra. Comptonův rozptyl je srážka gama fotonu se slabě vázaným elektronem. Gama foton přitom změní svůj směr šíření a část své energie předá elektronu. Úbytek energie fotonu závisí na úhlu, pod kterým se foton a elektron po srážce pohybují. Comptonův jev proto vytváří ve spektru spojité pozadí. Při fotoelektrickém jevu gama foton vyrazí z látky silně vázané elektrony z vnitřních slupek. Při jejich zpětném zaplňování elektrony z vyšších hladin se uvolňuje rentgenovo záření. Je-li energie původního gama fotonu vyšší než 1022 keV může proběhnout tvorba páru, při níž vznikne elektron a positron. Po ztrátě své kinetické energie positron může anihilovat s jiným elektronem. Přitom vzniká dvojice gama fotonů o energii 511 keV, které se šíří přesně v navzájem opačném směru.
Návod laboratorní práce: Terénní gama spektrometrické měření in situ Úkoly: 1. Ve štole Josef vyhledejte radiometrem DC-3E-98 místo s nízkou úrovní radiace 2. V tomto místě zahajte měření srovnávacího gama spektra 3. Radiometrem DC-3E-98 vyhledejte místo se zvýšenou úrovní radiace 4. V místě se zvýšenou úrovní radiace změřte gama spektrum 5. Zkopírujte naměřená spektra z jednotky digiDART do počítače 6. Ve spektrech vyznačte v místech píků oblasti zájmu a jejich přehled uložte do textového souboru. 7. Opravte nesrovnalosti v přiřazení píků a určete, pro které radioisotopy je v místě se zvýšenou úrovní radiace zaznamenána zvýšená aktivita 8. Výsledky zpracujte do protokolu
Detekce gama záření v polovodičovém detektoru Pro měření gama spekter je zde použit spektrometr SILENA s krystalem z čistého germania v koaxiálním uspořádání, který je umístěn v hliníkovém krytu. Schéma krystalu je na obr. 1. Krystal je chlazen měděnou tyčí ponořenou do kapalného dusíku v Dewarově nádobě (Obr. 2). Na krystal je přivedeno vysoké napětí (v této práci 1500 V). Při průchodu ionizujícího záření krystalem vznikají v polovodiči dvojice volného záporně nabitého elektronu a elektronové vakance (díry), která nese kladný náboj. Počet vzniklých párů je úměrný energii ionizujícího záření. Vložené napětí přivede elektrony a díry na opačné elektrody. Vzniklý proudový
2
puls se po zesílení změří a podle jeho velikosti se zvýší o jedničku hodnota v tom kanálu vícekanálového čítače, který odpovídá jeho velikosti. Výsledné gama spektrum je representováno závislostí četnosti pulsů v jednotlivých kanálech na jejich pořadí resp. na energii, která kanálům odpovídá.
Obrázek 1: Schéma koaxiálního germaniového krystalu polovodičového detektoru
Obrázek 2: Plnění Dewarovy nádoby spektrometru kapalným dusíkem Pro záznam dat je v této práci použit přenosný vícekanálový analyzátor ORTEC digiDART Portable HPGe MCA (Multichannel Analyzer). Je napájen z baterií a zajišťuje napájení spektrometru, jeho ovládání, zpracování pulsů a jejich registraci až v 32768 kanálech. Je vybaven LC displejem a klávesnicí s 19 tlačítky. Energetická kalibrace, tj. přiřazení energie jednotlivým kanálů bylo provedeno předem na základě spekter radioisotopů 241Am, 22Na, 137Cs a 60Co. Při měření se postupuje následujícím postupem:
3
1. Jednotka digiDART se propojí s modulem DIM (Detector Interface Module) připojeným k vychlazenému detektoru (kabely INHIBIT OUT a BIAS SHUTDOWN se nepoužívají a nepřipojují). V modulu DIM se podle požadavků jednotky digiDART generuje vysoké napětí pro napájení detektoru a zpracovává se signál z detektoru. 2. Jednotka digiDART se zapne tlačítkem ON/OFF. Opakovaným stiskem tlačítek se symbolem žárovky je možno zapínat a vypínat podsvícení dipleje. 3. Postupným stiskem tlačítek MENU/ENTER, 6, 1 a 4 se ověří nastavení parametrů měření podle tabulky: HV Status HV Target Bias HV Actual Bias HV Shutdown Type Overload Status HV Serial # Smart-1 Detector Recommend HV Live Det. Temp
OFF 1500 V 0V TTL GE-POS NO NO N/A V N/A
Do výchozí nabídky, v níž jsou na displeji zobrazována spektrální data, se vrátíme čtyřnásobným stiskem tlačítka MENU/ENTER. (Pokud v položce HV SHUTDOWN je zobrazeno SMART, připojí se jednotka digiDART přes USB rozhraní k počítači, spustí se program Computer\Local Disk (C:)\Program Files\Common Files\ORTEC Shared\UBBCI\Diag.exe. V jeho dialogovém okně se v první řádce vybere z nabídky připojená jednotka digiDART označená jménem jako M02-GAMA-MCB 129. Vyplní se Command: SET_SHUT_TTL a odešle se (Send). Odezva digiDARTu ve spodní části dialogového by měla být Response: ErrMac=0, ErrMic=0) Tyto tři první kroky stejně jako nastavení ostatních parametrů měření budou provedeny asistentem ještě před začátkem práce. 4. Detektor se umístí do místa, ve kterém chceme provádět měření. 5. Stiskem tlačítek MENU/ENTER, 6, 1 a 1 (Enable HV) připojíme na krystal vysoké napětí. Opakovaným stiskem MENU/ENTER zobrazíme načítaná data. 6. Stiskneme tlačítko START. Tím se zahájí sběr dat. Je nastavena doba měření zhruba 30 minut, kterou je možno ověřit a změnit po stisku tlačítek MENU/ENTER, 6, 3 a 4. Návrat zpět se provede opakovaným stiskem MENU/ENTER. Sběr dat je také možno kdykoliv ukončit či přerušit stiskem tlačítka STOP. 7. Po ukončení měření stiskem tlačítek MENU/ENTER, 6, 1 a 1 (Disable HV) odpojíme vysoké napětí z krystalu. Opakovaným stiskem MENU/ENTER zobrazíme načtená data. 8. Naměřené spektrum se uloží do vyhrazené paměti stiskem tlačítka STORE. Tím se otevře nabídka, v níž zvolíme název, pod kterým má být spektrum uloženo (maximálně 8 znaků). Alfabetické znaky se volí tlačítky 1 až 9 s následným opakovaným stiskem šipky nahoru nebo šipky dolů. Po stisku tlačítka CLEAR se vymaže spektrum na displeji a spektrometr je připraven pro měření dalšího spektra postupem od bodu 4.
Zpracování výsledků a protokol Naměřená data je sice možné prohlížet přímo jednotkou digiDART, ale pohodlnější a úplnější vyhodnocení se provede na počítači specializovaným softwarem. Na přenosném počítači je k tomu nainstalován program MAESTRO-32 (Obr. 3), kterým je možno také ovládat jednotku digiDART a nastavovat její parametry (Nabídka Acquire/MCB properties). (Po zapnutí počítače a propojení USB kabelem se deaktivuje ovládání digiDARTU z jeho klávesnice.)
4
Obrázek 3: Obrazovka programu MAESTRO-32 Ve spuštěném programu MAESTRO se příkazem Acquire/Download uloží spektra z digiDARTu (je-li aktivní, tj. jeho data se zobrazují v aktivní části obrazovky) na harddisk. Typ ukládaných souborů je zvolen v nabídce File/File Settings/General, doporučený typ je Integer.Spc). Po otevření souboru se spektrum zobrazí na obrazovce. Při jeho zpracování se obvykle určují tzv. oblasti zájmu ROI (Region Of Interest), které vymezují ve spektru pík s blízkým okolím. Toto okolí určuje, jak má být vedena základní linie při integraci. Výsledkem integrace je celkový počet pulzů v ROI a celkový počet pulzů snížený o počet pulzů připadající na spektrální pozadí uvnitř ROI, tedy čistý (net) počet pulzů. Současně se vyhodnotí, jakému kanálu odpovídá těžiště korigovaného píku a, je-li dostupná energetická kalibrace, přepočte se na odpovídající energii gama záření. V knihovně isotopů se také vyhledá isotop, který nejlépe odpovídá dané energii a spočte se odpovídající aktivita tohoto isotopu přepočtem na podíl vyslaných gama fotonů ku celkovému počtu radioaktivních přeměn isotopu (tzv. branching factor). K vymezení ROI je možno použít pohyb kursoru ve spolupráci s nabídkou ROI, nebo se zvolí posun kursoru doprava nebo doleva na nejbližší rozpoznaný pík (ikony v pravé části oprazovky) a k označení se pak použije klávesa Insert. Po označení všech píků se může vypsat jejich přehled příkazem File/ROI Report, kde je vhodné nejprve zvolit volbu Print to display. Na obrazovce je pak možno zkontrolovat, zda položky v tabulce odpovídají předpokladům. V konečné podobě se volba změní na Print to File a vytvoří se textový soubor obsahující výslednou tabulku. Textové soubory se načtou do Excelu, v němž budou výsledky porovnány a zeditovány do výsledných tabulek.
Kontrola výsledků Automatické přiřazení čar v gama spektru nemusí být vždy správné, např. v důsledku nepřesné kalibrace. Ve výsledné tabulce proto zkontrolujeme, zda nalezené isotopy odpovídají očekávání pro daný typ vzorku. V oblastech nekontaminovaných z jiných zdrojů je možno kromě přirozeného isotopu draslíku 40K s emisí gama 1460,75 keV a s poločasem rozpadu 1,248·109 roku očekávat radioaktivní záření spojené s výskytem uranu a thoria. V přírodním uranu v rovnováze je relativní rychlost rozpadu 1.0 Bq pro 238U a 234U a 0,045 Bq pro 235U. Rozpadové řady 238U, 235U a 232Th jsou znázorněny v tabulce 1 uvádějící poločasy rozpadu radionuklidů ve dnech. Isotopy, jejichž gama emisi je možno ve spektru očekávat, jsou vyznačeny rámečkem.
5
Tabulka 1: Poločasy rozpadu (ve dnech) pro radioisotopy přírodních rozpadových řad Z A
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Thallium
Olovo
Bismut
Polonium
Astat
Radon
Francium
Radium
Aktinium
Thorium
Proaktinium
Uran
Neptunium
Plutonium
8.9E+06
239
1.6E+12
238 237 236 235 234
24
8.1E-04
5.1E+12 1.1 2.9E+07
1.2E+07
2.6E+11 9.1E+07
233 232 231 230 229
2117
228 227
0.25 7884
694 18
5.8E+05
226 225
3.6 11
224 223
3.8
222 221
6.4E-04 4.6E-05
220 219
0.0021
218 217 216 215 214
0.019
0.014
0.44 0.025 8030
0.042 0.0015 5.0
1.7E-06 2.1E-08 1.9E-09
213 212 211 210
3.5E-12 138
209 208 207 206
0.0021 0.0033
stabilní stabilní stabilni
Vhodnou pomůckou pro kontrolu přiřazení čar v gama spektru radioisotopům je graf vynášející rozdíl naměřené hodnoty energie a tabelované hodnoty proti hodnotě energie. Výraznější odchylky od společné křivky mohou být působeny nesprávným přiřazením. V protokolu uveďte v tabulce přehled radioisotopů identifikovaných v místech s nízkou a vysokou úrovní radiace. V závěru diskutujte rozdíly v aktivitách jednotlivých radioisotopů. Zvláštní pozornost věnujte případným radioisotopům, které nepatří do přírodních rozpadových řad, a význačným signálům, které se nepodařilo identifikovat.
6
