3 NaI-detektorns effektivitet

3 NaI-detektorns effektivitet (Bestämning av aktiviteten i en K-lösning) 3.1 Laborationens syfte Att bestämma NaI-detektorns effektivitet vid olika gammaenergier. Att bestämma aktiviteten i en K-lösning. 3.2 Materiel NaI-detektor med tillbehör, dator, kalibreringslösning av 152 Eu, KCl, vatten och preparatburk avpassad för detektorn. 3.3 Teori 152 Eu-lösningen används för att bestämma detektorns effektivitet vid olika gammaenergier. Gammaaktiviteten för en viss övergång, dvs antalet gammakvanta per sekund, är ofta inte lika med aktiviteten för preparatet, som ges av antalet sönderfall per sekund. Sönderfallsschemat ger hur stor andel av alla sönderfall som leder till en viss gammaövergång. Figur 5 visar ett 152 Eu-spektrum och figur 6 tillhörande sönderfallsschema. Antal gamma under 23 min 60000 0,122 000 0,344 0,78 0,96 1,09 + 1,11 1,41 20000 0,245 Delförstoring 0,4 0,8 1,2 Energi (MeV) Figur 5. 152 Eu-spektrum 11

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 0,344 152 Sm 152 Gd Figur 6. För effektivitetskalibreringen använder man sig av gammaövergångarna i tabellen nedan. Tabellen ger motsvarande antal gammakvanta per 152 Eu-sönderfall. Tabellens värden innehåller även en korrektion för att deexcitationen kan ske via elektronstrålning (s k inre konversionselektroner). Kalibreringslinjer i 152 Eu Energi (MeV) 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. 12

Exempel: Kalibreringslösningen innehåller en 152 Eu-aktivitet på 2000 Bq. Antal gammakvanta med energin 0,344 MeV är då 2000 0,272 = 544 stycken per sekund. Det vill säga gammaaktiviteten för 0,344 MeV-övergången är 544 Bq. Aktiviteten för kalibreringslösningen med 152 Eu är:... 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 :... Genom att relatera gammaaktiviteten till antalet räknade pulser i fototoppen per sekund får man ett mått på detektorns effektivitet vid motsvarande gammaenergi. Denna effektivitetskalibrering kan sedan användas till att för andra prover omvandla de registrerade antalet pulser per sekund till den verkliga gammaaktiviteten i provet. Med kännedom om sönderfallsschemat kan man därefter bestämma aktiviteten (antalet sönderfall per sekund) i provet. Detektorns effektivitet k eff bestäms alltså genom att beräkna kvoten mellan antalet gammakvanta per sekund, som fototoppen ger, och gammaaktiviteten för motsvarande övergång. För att undersöka om detektorns effektivitet är energiberoende görs effektivitetsbestämningen vid olika gammaenergier. Om kalibreringspreparatet och provet med den okända aktiviteten är av olika konsistens och utformning eller placeras olika i förhållande till detektorn tillför man effektivitetskalibreringen felkällor. För att minska dessa bör kalibreringsspektra och provspektra tas under så identiskt lika förhållanden som möjligt. Det viktigaste är storleken på provet och placeringen i förhållande till detektorn. 13

Aktiviteten i en KCl-lösning kan beräknas enligt följande: A = λ N (1) där λ är sönderfallskonstanten N är antalet moderkärnor λ fås ur λ ln 2 = (2) där T T 1/2 = 1,26 10 9 år är 1/2 halveringstiden för K N beräknas enligt : Antag att provets massa = m (g) Massan KCl i provet är då m Y, där Y är viktsandelen KCl. Antalet kaliumjoner i provet är lika stort som antalet KCl formelenheter: m Y N K (= N KCl ) = N M A KCl Om X = 0,0118 % är andelen (3) m Y N = X N (4) M KCl och följaktligen A där M N A =Avogadros tal (= 6,022 10 mol -1 KCl = molmassan för KCl K i naturligt kalium gäller: 23 A = N A X Y m ln 2 (5) M KCl T 1/2 14

3.4 Utförande 3.4.1 Effektivitetskalibrering av detektorn Ta upp ett spekrum från 152 Eu-kalibreringslösningen samt ett bakgrundsspektrum. Lämplig mättid är cirka 10 och 30 minuter för respektive spektrum. Kopiera över spektrumen till arbetsdisketten vid respektive dator. Innan man kan betämma antalet pulser i fototoppen måste bidraget från andra strålningskällor (bakgrunden) dras bort. Subtrahera därför bakgrundsspektret från kalibreringsspektret genom att först läsa in kalibreringsspektret och kommandot Arkiv Subtrahera. På skärmen visas nu differensen. Bestäm arean för de olika kalibreringstopparna och för in dessa värden i tabellen nedan. Fullborda sedan tabellen och rita med hjälp av tabellvärdena en kalibreringskurva med effektiviteten som funktion av gammaenergin. 152 Eu-aktiviteten i lösningen(bq):... Mättid(s):... ENERGI (MeV) 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 Vilken slutsats drar Du om effektivitetens energiberoende?......... 15

1,46 MeV Elevinstruktion GDM 10 3.4.2 Bestämning av aktiviteten i en KCl-lösning Blanda i en för detektorn avpassad plastburk cirka 15 g KCl eller mineralsalt med vatten (även salt i kristallform kan användas). Skaka om så att saltet löser upp sig. Ta upp ett spektrum från lösningen. Mättiden cirka 30 minuter. Subtrahera den tidigare upptagna bakgrunden. Medan spektret tas upp kan man beräkna det teoretiskt förväntade värdet på aktiviteten Vikten av KCl-saltet (g) :... Den teoretiska aktiviteten är :... Bestäm därefter gammaaktiviteten i lösningen med hjälp av fototoppen och den tidigare bestämda effektiviteten. Med hjälp av sönderfallsschemat för K i figur 7 beräknas sedan aktiviteten i lösningen. Alla beräkningar redovisas. T 1/2 =1,3 10 9 y K β - (89%) Elektroninfångning (11%) Ar (stabil) Ca (stabil) Figur 7. 16