Neutronaktivering. Laboration i 2FY808 - Tillämpad kvantmekanik

Transkript

1 Neutronaktivering Laboration i 2FY808 - Tillämpad kvantmekanik Datum för genomförande: Medlaborant: Jöns Leandersson Handledare: Pieter Kuiper 1 av 9

2 Inledning I laborationen används en neutronkälla för att aktivera prover. När provet blir aktiverat kommer det att sända ut gammastrålning som är karaktäristiskt för de ämnen som finns i provet. På så sätt kan neutronaktivering användas för att hitta även små mängder av ett ämne i ett prov (Wikipedia, 2012). Neutronkällan innehåller en radium-beryllium blandning där radiumet alfa-sönderfaller och tillsammans med beryllium bildar 13 C som sänder ut en neutron. Neutronerna bromsas i paraffin så att de blir termiska. Förberedelseuppgifter Förväntat neutronflöde En bra källa ger ca 10 7 neutroner per sekund och Curie radium. Vår källa innehåller 3 mg radium vilket motsvarar 3 mci. Det ger ett flöde på neutroner per sekund från källan. I kanalen på 7 cm avstånd från källan ger det en flödestäthet på ca 50 neutroner/s. cm 2. Neutronernas hastighet När de lämnar kärnan har neutronerna den kinetiska energin 5 MeV= J vilket ger en hastighet på ca m/s. Efter nedbromsningen i paraffinet är neutronernas kinetiska energi ca kt =25 mev = J vilket ger hastigheten 2 km/s. Antal kollisioner För att bli termiska behöver den kinetiska energin hos neutronerna minska med en faktor Om man antar att hälften av energin går förlorad i varje kollision ger det ca 28 kollisioner. Varför paraffin som moderator? Paraffin innehåller mycket väte och är i fast form vilket gör det lättare att ha kanaler i och det flyter inte bort. 2 av 9

3 Kalibrering av detektorn Före mätningen av provet mätte vi aktiviteten för ett prov med känd aktivitet. Då kunde vi kalibrera energinivåerna och beräkna detektorns effektivitet vid olika energier. Vi använde ett prov med 152 Eu som har gammatoppar vid 1,41; 0,344 och 0,122 MeV. Provet hade en aktivitet på 258 Bq den 14 december Mätvärden och beräknad effektivitet i tabellen nedan. Energi [MeV] Förväntade pulser Registrerade pulser Effektivitet [%] [antal] [antal] 1, ,0 0, , Tabell 1 Mätvärden för Eu-152 och effektivitetsbestämning för detektorn För att få en uppskattning av effektiviteten för övriga energier skissade vi en graf för effektiviteten. Enligt dokumentationen för utrustningen verkar effektiviteten vara linjär för höga och låga energier med en böj i trakten kring 1 MeV. Vår handgjorda skiss liknade den i figuren nedan. Figur 1 Effektivitet för olika energinivåer 3 av 9

4 Bestämning av flödet av neutroner För att uppskatta antalet neutroner från källan placerades ett känt prov av indium i kanalen på 7 cm avstånd och sedan mättes strålningen från provet i detektorn. 6 mätserier a 30 minuter gjordes som sammanfogades till ett spektrum, se figur nedan. Antalet pulser beräknades mha autodas och aktiviteten uppskattades genom att dividera med effektiviteten från figuren ovan. Figur 2 Spektrum för In-116 Spektrumet har toppar vid 1,294; 1,097 och 0,417 MeV där varje energi har en viss sannolikhetsprocent (The Lund/LBNL Nuclear Data Search, 2012). Mätvärden och beräkningar finns i tabellen nedan. Energi [MeV] Mätta pulser Effektivitet [%] Avgivna pulser Sannolikhet [%] Sönderfall [tusental] 1, , , , , , , ,7 477 Tabell 2 Mätvärden för In116 med beräknad utsänd strålning för respektive energi Vi beräknar medelvärdet för antalet sönderfall till 705 tusen. In-115 blir In-116 när en neutron infångas. Vi räknar med att alla neutroner som passerar provet fångas in och enligt siffrorna i labinstruktionen är träffytan för de exciterade isomererna 162 mot 40 för den i grundtillståndet. 4 av 9

5 Eftersom bara de exciterade isomererna ger upphov till detekterbar strålning kommer endast 80 % av neutronerna räknas. Det totala sönderfallet av indium är då 882 tusen. Om vi räknar med att provet varit så länge i källan att det uppstått jämvikt mellan skapade och sönderfallande In-116 så är det även ett mått på flödet av neutroner mot provet. Radioaktiva ämnens aktivitet avtar enligt: där T = halveringstiden. Antalet sönderfall under ett tidsintervall blir då: Med halveringstiden T=3240 s, starttiden t 1 =330 s och sluttiden t 2 =7530 s (mättid 7200 s) får vi sambandet: K 3422A 0 Detta ger A 0 = 258 Bq vilket alltså är ett mått på aktiviteten hos provet när det togs ut ur neutronkällan. Provet är en cylinderformad burk med innerdiameter 1,6 cm och innerhöjd på 4,5 cm. Jag antar att antalet neutroner som fångas in är proportionellt mot tvärsnittsarean för provet mot källan, vilken blir 7,2 cm 2. Detta ger ett värde på flödestätheten på 36 neutroner/s. cm 2, vilket är av samma storleksordning som det beräknade på ca av 9

6 Bestämning av halveringstiden för In-116 För att bestämma halveringstiden studerades dels hur aktiviteten avtar för gammatopparna och dels gjordes en långtidsmätning av den totala aktiviteten. Studie av gammatopparna För de 6 mätningarna räknades antalet pulser för gammatopparna mha Autodas, värden i tabellen nedan. Eftersom bakgrunden räknas bort av Autodas antar vi att pulserna endast kommer från provet och att aktiviteten avtar exponentiellt mot noll. Tid 417 kev 1097 kev 1294 kev Tabell 2 Antal pulser för tre gammatoppar hos In-116 Värdena plottades och en exponentiell linje anpassades till respektive energi, enligt figuren nedan. Figur 3 Plot för tre gammatoppar hos In-116 Detta gav värden på sönderfallskonstanten λ mellan 0, och 0, vilket motsvarar en halveringstid på mellan 3191och 3805 s. Enligt labhandledningen är den ca 3240 s så det verkar ok. 6 av 9

7 Långtidsmätning Vid långtidsmätningen registrerades all aktivitet under en längre tid i intervall om 15 s, se figuren nedan. Här ingår även bakgrundsstrålningen så den behöver räknas bort. En snabb uppskattning av halveringstiden kan fås direkt ur grafen där man ser att aktiviteten minskar från 1200 till 700 på ca 3300 s. Eftersom bakgrunden är ca 200 motsvarar detta en halvering. Figur 4 Långtidsmätning Indium-116 För att få ett noggrannare värde på halveringstiden plottades logaritmen för antalet pulser (borträknat bakgrundsstrålning på 199) mot tiden i sekunder, se figur nedan. En rät linje anpassades och riktningskoefficienten avlästes till -0, vilket ger en halveringstid på 3254 s. Detta stämmer bra med tabellvärdet på 3257 s (The Lund/LBNL Nuclear Data Search, 2012). Figur 5 Ln-plot av total strålning minus bakgrundsstrålning 7 av 9

8 Aktivering av ett brunstensbatteri Efter aktivering i neutronkällan ger ett brunstensbatteri upphov till spektrat i figuren nedan. Topparna stämmer med energinivåerna från Mn-56 som är på 0,847; 1,81 och 2,11 MeV. Figur 6 Spektrum för ett brunstensbatteri Om man nu inte hade vetat att det fanns mangan i batteriet hade neutronaktivering kunnat visa det? Vi ser i spektrat en tydlig topp vid ca 0,847 MeV. Långtidsmätning ger en halveringstid på ca 9250 s. En sökning (The Lund/LBNL Nuclear Data Search, 2012) med dessa data ger resultat enligt bilden nedan, alltså endast träff för Mn-56! Figur 7 Sökning på The Lund/LBNL Nuclear Data Search. 8 av 9

9 Diskussion Bestämning av flödet Vid bestämningen av flödet finns ett ganska stort antal felkällor, vilket gör resultatet svårtolkat. De som jag tror spelar störst roll är (i fallande ordning): Modellen för neutronernas diffusion i källan - Storleksordning 100 % Felaktigt värde för toppen på 0,417 MeV - Storleksordning 20 % Effektivitetskalibreringen - Storleksordning 20 % Modellen för neutronflödet Jag har utgått från en modell där antalet neutroner som aktiverar provet är proportionellt mot tvärsnittsarean och inte mantelarean. Skillnaden är en faktor π, vilket gör att denna felkälla överskuggar det mesta. Med den modell jag har valt kommer man betydligt närmare det teoretiska värdet på ca 50 neutroner. Huruvida det är en indikation på att tvärsnittsmodellen är bättre än mantelareamodellen låter jag vara osagt. Mantelareamodellen kollapsar i alla fall i gränsfallet att man skulle ha prov runt hela källan så den kan inte vara perfekt. Kanske kan man göra försök med prov av olika form för att se vilken modell som är att föredra. Eventuellt kan en matematisk beräkning eller simulering av neutronrörelserna i paraffinet också ge svar. Fel för 0,417 MeV? När man jämför den beräknade aktiviteten för toppen på 0,417 MeV med de övriga verkar det som att siffran är alldeles för låg. Detta gäller för alla 6 mätserier och kan nog inte enbart förklaras med felaktigheter i effektivitetskalibreringen (se nedan). Om man bara räknar med de övriga topparna får man ett värde på flödet på 42. Det är väl i och för sig inget som säger att det inte är tvärtom och i så fall blir flödet 24. Effektivitetskalibreringen Vid kalibreringen användes endast tre mätvärden och effektivitetskurvan är enligt dokumentationen för detektorn av hockeyklubbeform. Vi har alltså en ganska stor osäkerhet i kurvpassningen och avläsningen för de olika energierna. Uppskattningsvis kan detta ha en osäkerhet på bortåt 20 % i slutresultatet (det slår väldigt olika på olika ställen på kurvan). Halveringtiden för indium Bra överensstämmelse med litteraturvärden. Mangan i batteri Reslultatet visar att vi skulle kunna påvisa mangan i batteriet. Huruvida det skulle fungera för andra ämnen beror bla på om det finns flera ämnen som har toppar och halveringstider som hamnar inom samma gränser. Gör man sökningar på flera toppar borde det dock gå att få ganska stor möjlighet att särskilja ämnen. Litteraturförteckning The Lund/LBNL Nuclear Data Search. Wikipedia. en.wikipedia.org/wiki/neutron_activation_analysis 9 av 9