Laborationer i miljöfysik Gammaspektrometri

Transkript

1 Laborationer i miljöfysik Gammaspektrometri 1 Inledning Med gammaspektrometern kan man mäta på gammastrålning. Precis som ett GM-rör räknar gammaspektrometern de enskilda fotonerna i gammastrålningen. Men dessutom mäter den energin på varje enskild foton. Eftersom energin är karakteristisk för det ämne som sänder ut strålningen, ger detta unika möjligheter att identifiera radioaktiva ämnen. Eftersom enstaka fotoner räknas blir känsligheten mycket stor. Dessutom är gammastrålningens energi intressant att kunna mäta ur strålskyddssynpunkt högre energi medför större genomträngningsförmåga. Sist i detta häfte finns en tabell över några gammaenergier, samt några sönderfallsschema för ett antal radioaktiva nuklider. Med hjälp av dem kan du försöka identifiera de gammaenergier du finner i dina spektra. Vid labplatsen finns manualer för labutrustningen, som du kan studera vid behov. 1.1 Några begrepp Begrepp Beskrivning Enhet Räknehastighet R Antal partiklar per sekund, som mäts av detektorn. Hz Aktivitet A Antal sönderfall per sekund i det studerade provet. Bq Specifik aktivitet Antal sönderfall per sekund och kg. Bq/kg Effektivitet e Den andel av antalet gammafotoner från provet, som % registreras i detektorn Energi E Den enskilda gammafotonens energi MeV, kev Halveringstid T 1/2 Sönderfallskonstant λ Den tid det tar för mängden radioaktivt ämne att minska till hälften genom sönderfall. Även aktiviteten har då minskat till hälften. Sannolikheten för att en viss kärna skall sönderfalla under en viss tid. Samband med halveringstid: λ = ln2 / T 1/2 s, h, y s -1 2 Syfte Du skall mäta räknehastighet och gammaenergi för ett radioaktivt preparat med hjälp av gammaspektrometern. Du skall analysera några uppmätta spektra och identifiera radioaktiva ämnen som påträffats i naturen. Du skall beräkna aktivitet och specifik aktivitet vid mättillfället och vid ett tidigare tillfälle och beräkna mängden av det radioaktiva ämnet. 1

2 3 Utförande 3.1 Att mäta räknehastighet och gammaenergi 1. Starta datorn och tag fram programmet WinDAS Lyft blylocket på detektorn och sätt in burk nr 2, Jord 2. Denna burk innehåller jord som tagits på 8 cm djup utanför Gävle den 21 oktober Programmet styrs på vanligt sätt med menyalternativ. Till de vanligaste alternativen finns också knappar på skärmen. Så småningom kan du själv börja använda dem (peka på dem för beskrivning). 4. Tag fram ett tomt spektrum med Arkiv, Nytt. Välj 1024 kanaler. 5. Starta mätning med Insamling, Starta. Varje enskild foton som registreras räknas nu in i en av spektrometerns kanaler. Kanalnumret (på horisontella axeln) är ett mått på fotonens energi, högre kanalnummer svarar mot större energi. Antal fotoner i varje kanal anges längs vertikala axeln. I ett fönster anges fortlöpande mättiden. 6. För att få energiskala i stället för kanalskala väljer du Kalibrera, Från fil. I mappen C/Mina dokument/gammaspektroskopi/mätfiler 20XX/Labgrupp YY finns en kalibreringsfil EUCAL-aktuellt datum. EUCAL är en mätning på ett känt preparat, där vi efter mätning matat in kända tabellvärden på gammaenergin. På så sätt kan programmet räkna om kanalnummer till gammaenergi och utnyttja detta även vid andra mätningar. Energikalibreringen bör kontrolleras (göras om) varje vecka. Du har nu fått horisontella skalan graderad i megaelektronvolt, MeV, eller kiloelektronvolt, kev. 7. Studera spektret. Är någon gammaenergi vanligare än övriga? Om du pekar på en topp i spektret och klickar visar skärmen både energi och antal registrerade fotoner i kanalen du pekat på. 8. Efter ca 10 min stoppar du mätningen med Insamling, Stoppa. Välj Arkiv, Spara. I Mina dokument finns en mapp för din labvecka, spara filen där och välj lämpligt namn (karakteristiskt för både preparatet och dig, Jord2-Lotta ). 9. Den stora toppen i spektret, fototoppen, innehåller registreringar av fotoner med en enda energi. Detektorns bristande upplösning gör att de får en viss spridning på kanaler, toppen får en viss bredd. För att få ett noggrant värde på gammaenergin, som motsvarar toppens tyngdpunkt: peka på vänstra foten av toppen, klicka på vänster musknapp. Peka på höger fot, klicka höger. Välj Beräkna, Centroid. Du får nu energin motsvarande toppens tyngdpunkt. 10. Under Visa (eller med knappar på skärmen) kan du zooma in och ut, förflytta dig åt höger eller vänster etc för att bättre kunna studera och markera i spektret. För mycket små toppar, där den statistiska variationen mellan kanalerna gör det svårt att urskilja toppen, kan du jämna ut den med Visa, Smooth. Prova med t ex 8 ch. 2

3 3.2 Bakgrundsmätning 1. Tag bort preparatet från detektorn och lägg åter på locket. Förvara alla preparat 5 m från detektorn, för att undvika onödig bakgrundsstrålning. 2. Tag fram nytt tomt spektrum och starta mätning. Stoppa efter 10 min. Du kan välja förutbestämd tid. 3. Energikalibrera. 4. Varifrån kommer den strålning detektorn registrerar nu? Känner du igen någon topp från förra mätningen? Försök identifiera toppen med hjälp av tabell över gammaenergier. 5. Toppar med energi < 100 kev är ofta röntgenstrålning. Denna kan uppkomma från ämnen som träffats av gammastrålning: En elektron i K-skalet slås ut (fotoelektrisk effekt). En elektron från L-skalet (oftast) faller ned på den lediga platsen, varvid energi avges i form av en foton, som kan ha en energi på tiotals kev. Energin är karakteristisk för ämnet. Leta i en speciell tabell över röntgenenergier. Tänk på att onogrannheten i mätningen kan vara ca 10 kev. Leta bland ämnen som du har anledning tro finns i detektorns omgivning. 6. När mätningen är klar, spara den med lämpligt namn. 3.3 Bakgrundskorrektion Eftersom bakgrundsstrålningen finns med även i din mätning på Jord 2 och stör mätresultaten, skall du nu korrigera för bakgrunden. 1. Hämta fram din Jord 2-mätning med Arkiv, Öppna. Lägg märke till hur den ser ut, iakttag speciellt toppen vid ca 1,4 MeV (zooma om det behövs). 2. Välj Arkiv, Subtrahera. Välj din bakgrundsfil. 3. Programmet har nu subtraherat bakgrundsmätningen från din Jord 2-mätning (efter att automatiskt räknat om till lika lång mättid). Hur förändrades din Jord 2-mätning? 4. Spara din korrigerade mätning. 5. Mät på den stora toppens energi (centroid etc) och kontrollera att energin stämmer med din tidigare mätning. Innan du går vidare bör du starta en ny mätning enligt punkt När den är startad kan du återvända till din Jord2-fil för att analysera den vidare enligt nedan 3.4 Aktivitetsmätning Du har hittills endast undersökt energin E γ på de gammafotoner som sänds ut. Nu skall du också undersöka aktiviteten A, dvs antalet sönderfall per sekund (enhet Bequerel, Bq eller i detta program Hertz, Hz). Du behöver då summera antalet fotoner i de kanaler som toppen omfattar. 1. Markera vänster och höger fot som tidigare. Var noga med att peka rätt även i vertikal led. 2. Välj Beräkna, Summa. Du får då räknehastigheten R, dvs antalet registrerade fotoner per sekund i hela toppen, ovanför den bakgrund som ligger under fotlinjen, som nu markerats på spektret. 3

4 3. Det radioaktiva preparatet sänder ut strålning åt alla håll, men bara en del av strålningen träffar detektorn. Dessutom har gammastrålning så stor genomträngningsförmåga, att somliga fotoner passerar tvärs igenom detektorn utan att hindras av materian. I så fall avger fotonen inte någon energi alls, vilket innebär att den över huvud taget ej registreras. I effektivitetskurvan kan du avläsa hur stor andel (%) av utsända fotoner som registreras av detektorn. Varför är effektiviteten beroende av gammaenergin? Total effektivitet för GDM gammadetaktor ,5 1 1,5 Gammaenergi / MeV 4. Sönderfallsschemat för 137 Cs visar hur stor andel av sönderfallen som ger upphov till gammastrålning med den aktuella energin T 1/2 = 30 y β - 94 % Cs 6 % 662 kev Ba 5. Räkna om räknehastigheten för 137 Cs till aktivitet med hänsyn till punkt 3 och 4 ovan. 6. Beräkna specifika aktiviteten (Bq per kilogram jordprov). Vikten på jordprovet finns antecknad i listan över prov. 7. Tag reda på halveringstiden ur tabell, och beräkna hur stor mängd (gram) 137 Cs det finns i jordprovet. 8. Beräkna hur stor Cs-mängden var vid nedfallstillfället 26 april

5 3.5 Undersökning av blåbetong. 1. I provburken Blåbetong 17 finns blåbetong från ett hus byggt på 1960-talet. Mät på provet, helst 30 minuter eller mer. Energikalibrera. Subtrahera bakgrund. 2. Undersök spektret. Kontrollera energin för topparna. Kan flera toppar härröra från samma sönderfallskedja? Kontrollera med nuklidkarta. 3.6 Förslag till ytterligare mätningar 1. Mät och identifiera ämnen i äldre armbandsur och glödstrumpa till gaslampa. 2. Undersök spektret från kalibreringspreparatet 152 Eu. 3. Undersök ämnena som fastnar på högspänningstråden i en av era andra laborationer. 4. Undersök och jämför vanligt bordssalt och s.k. mineralsalt, t ex Seltin, som saluförs som hälsosalt. 5. Undersök och jämför alunskiffer eller slagg från aluntillverkning i Andrarum. Undersök om du kan hitta dina gammaenergier i sönderfallsschemat för 238 U 234 U eller 232 Th. Från vilka ämnen i sönderfallsschemat har du registrerat gammastrålning? 6. Jämför de olika jordproverna från Gävletrakten. Jord 2 och Jord 4 har tagits på olika djup i marken. Om du har tid kan du också mäta på mossa (burk 5) och på två markprover (1 och 3) som togs någon kilometer från första fyndplatsen. 7. Undersök vad som händer med dels gammastrålningens intensitet (antal partiklar per sekund), dels dess energi (energin på varje gammafoton) då strålningen får passera genom materia, t ex en blyskärm. För detta experiment behöver du extra utrustning och information från handledaren. tagits på olika djup i marken. Om du har tid kan du också mäta på mossa (burk 5) och på två markprover (1 och 3) som togs någon kilometer från första fyndplatsen. 5