5. Bestämning av cesiumaktivitet

Transkript

1 5. Bestämning av cesiumaktivitet (Med hjälp av effektivitetskurva för NaI-detektor) 5.1 Laborationens syfte Att bestämma aktiviteten från Cs och 137 Cs i ett prov som tagits på livsmedel, växter eller liknande. I laborationen ingår en effektivitetskalibrering av detektorn. Alternativt kan man använda sig av en tidigare utförd effektivitetskalibrering. 5.2 Materiel NaI-detektor med tillbehör, dator, kalibreringslösning ( 152 Eu), avkok från renlav eller renkött eller eget prov som insamlats utanför skolan. 5.3 Teori På grund av kärnvapenproven och olyckan i Tjernobyl kan man i vissa delar av Sverige hitta mätbara halter av 137 Cs och Cs. Figur 10 visar ett gammaspektrum från ett prov som innehåller dessa isotoper. Tillhörande sönderfallsscheman ges i figur 11. Antal gamma under 3 tim 45 min M 2000 Cs Gammaspektrum från renkött subtraherat med bakgrundsspektrum Cs 1000 N Cs 500 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 Figur 10. Energi 22

2 Tittar man närmare på spektret i figur 10 upptäcker man att NaI-detektorn inte förmår att lösa upp alla energier, dvs motsvarande fototoppar går in i varandra. De mindre vanliga (= svagare) övergångarna döljs dessutom av de vanligare (= starkare). Trots att inte alla övergångarna syns i spektret måste man ta hänsyn till att de finns. Se figur 11 som visar sönderfallsscheman för 137 Cs och Cs. T 1/2 = 30 y T 1/2 = 2,06y Cs 27% 2,5% 71% β - 1,37 (11) 0,80 (32) 0,57(57) 1,04 (42) 0,476 (58) 0,80 1,17 (19) 0,56 (81) 1,97 1,64 1,40 1, Cs 93,5% 0,662 0,662 0,60 0,60 6,5% 137 Ba(stabil) Ba(stabil) 0 Figur 11. De gammaenergier som är av intresse i 137 Cs- och Cs-sönderfallet ges i sammanställningen nedan. Procent-talen bakom energierna i sammanställningen anger hur många procent av sönderfallen som leder till respektive gammaövergångar. Cs 0,563 MeV 8,4 % (se figur 10 vid M-toppen) 0,569 MeV 15,9 % 0,600 MeV 97,5 % totalt 121,8 % Cs 0,796 MeV 85,7 % (se figur 10 N-toppen) 0,802 MeV 8,8 % totalt 94,5 % 137 Cs 0,660 MeV 84,1 % (se figur 10 M-toppen) 23

3 Med hjälp av sönderfallsscheman i figur 11 kan man kontrollera dessa procenttal. För 0,66 MeV-övergången i 137 Ba blir procenttalet lägre än det tal som ges i figur 11 för procenten betasönderfall som går till motsvarande nivå. Skillnaden (9,4% per sönderfall) avges som elektronstrålning (s k inre konversionselektroner). Med hjälp av fototopparna som hör till 0,796 och 0,802 MeV övergångarna i Ba kan man bestämma Cs-aktiviteten i provet. Förutsatt att man känner till detektorns effektivitet vid 0,8 MeV. Detektorn energi- och effektivitetskalibreras med hjälp av en 152 Eu-kalibreringslösning. Eftersom man inte kan lösa upp dubbeltoppen (märkt M i figur 10), som svarar mot övergångar i både Cs och 137 Cs, använder man sig av toppen märkt N för att bestämma hur stor andelen av Cs är i dubbeltoppen märkt M. Genom att subtrahera detta bidrag från Cs i dubbeltoppen fås intensiteten för 0,66 MeV övergången från 137 Cs-sönderfallet. Antag att antalet pulser i toppen märkt N är N, vilket svarar mot X sönderfall av Cs: X = N/(k 0,8 0,945) (1) Om M är lika med antalet pulser i toppen märkt M, som svarar mot övergångarna 0,56 + 0,57 + 0,60 + 0,66 MeV fås: Y = M - X 1,218 k 0,6 (2) där Y är antalet pulser i toppen märkt M som härrör från 137 Cs-sönderfall. 137 Cs-aktiviteten A i provet kan sedan beräknas enligt följande: A = Y/(0,841 t k 0,66 ) (3) Cs-aktiviteten B ges av: där t är mättiden för provet. B = X/t (4) 24

4 5.4 Utförande Energi- och effektivitetskalibrering Ta upp ett spektrum från 152 Eu-lösningen. Mättiden cirka 10 minuter. Längre mättid ger större noggrannhet på effektivitetskalibreringen. Ta sedan upp ett bakgrundsspektrum under lika lång tid. Subtrahera bakgrunden från kalibreringsspektret och energikalibrera spektret med 0,344 och 1,41 MeV topparna. Se figur 12. Figur 13 visar motsvarande sönderfallsschema. Antal gamma under 23 min , ,344 0,78 0,96 1,09 + 1,11 1, ,245 Delförstoring 0,4 0,8 1,2 Energi Figur Eu-spektrum. Elektroninfångning (73%) 1,41 1,11 (77) 0,87 (23) 1,09 (41) 0,96 (58) 0,244 0,122 T 1/2 = 13 y 152 Eu 25% 13% 17% 0,9% 22% 8% β (27%) 0,78 (94) 0,368 (6) 0,411 0, Sm 152 Gd Figur

5 För effektivitetskalibreringen använder man sig av gammaövergångarna i tabellen nedan. Tabellen ger motsvarande antal gammakvanta per 152 Eu-sönderfall. Kalibreringslinjer i 152 Eu Energi Antal gamma kvanta per sönderfall 0,122 0,307 0,245 0,079 0,344 0,272 0,78 0,133 0,96 0,145 1,41 0,214 Med hjälp av tabellen kan man räkna ut gammaaktiviterna för de olika övergångarna. Exempel: Kalibreringslösningen innehåller en 152 Eu-aktivitet på Bq. Antal gammakvanta med energin 0,344 MeV är då ,272 = 544 stycken per sekund. Det vill säga gammaaktiviteten för 0,344 MeV-övergången är 544 Bq. 152 Eu-aktiviteten i lösningen(bq):... Mättid(s):... Gammaaktiviteten för 0,122 MeV-övergången är :... Gammaaktiviteten för 0,245 MeV-övergången är :... Gammaaktiviteten för 0,344 MeV-övergången är :... Gammaaktiviteten för 0,78 MeV-övergången är :... Gammaaktiviteten för 0,96 MeV-övergången är :... Gammaaktiviteten för 1,41 MeV-övergången är :... 26

6 Bestäm arean för de olika kalibreringstopparna och för in dessa värden i tabellen nedan. Effektiviteten fås genom att dividera antalet pulser per sekund i en fototopp med motsvarande gammaaktivitet. Fullborda tabellen och rita med hjälp av tabellvärdena en kalibreringskurva med effektiviteten som funktion av gammaenergin. ENERGI GAMMAAKTIVITET (Bq) ANTAL PULSER I FOTOTOPPEN ANTAL PULSER PER SEK I FOTOTOPPEN EFFEKTIVITET (%) 0,122 0,244 0,344 0,78 0,96 1,41 Avläs ur diagrammet effektiviteten vid följande energier: Effektiviteten vid 0,6 MeV:... Effektiviteten vid 0,66 MeV:... Effektiviteten vid 0,8 MeV:... Mät därefter det okända provet så lång tid att topparna av intresse syns tydligt, dvs den statistiska variationen inte är störande. Mättiden beror alltså provets styrka. För lavavkoket är en lämplig mättid minuter, för köttavkoket minuter. Bakgrundsspektret tas sedan under lika lång tid. Subtrahera bakgrundsspektret och bestäm arean för topparna markerade med M och N i figur 10. Antalet pulser i toppen märkt M (= M):... Antalet pulser i toppen märkt N (= N):... Mättiden (= t):... Beräkna därefter Cs- och 137 Cs- aktiviteten i provet enligt teoriavsnittet. Uträkningarna redovisas tillsammans med resultatet. 27