PRODUKTION OCH SÖNDERFALL

PRODUKTION OCH SÖNDERFALL Inom arkeologin kan man bestämma fördelningen av grundämnen, t.ex. i ett mynt, genom att bestråla myntet med neutroner. Man skapar då radioisotoper som sönderfaller till andra stabila grundämnen. Strålningen avtar exponentiellt med tiden och genom att mäta den, kan man bestämma andelen av ett specifikt grundämne. För att skapa ett strålningsskydd med goda egenskaper krävs material som absorberar infallande strålning på ett så effektivt sätt som möjligt. Det är därför viktigt att man har bra kunskap om typen av strålning som ska blockeras samt vilka material man kan använda. Neutroner som saknar laddning, påverkas inte av elektriska krafter, vilket gör dem mycket svåra att stoppa. Syfte och mål Genom att bestråla naturligt silver med långsamma neutroner, så kallade termiska neutroner, skall ni bestämma halveringstiden för de radioaktiva isotoper som har producerats. Ni skall även göra en kvalitativ undersökning av absorption av termiska neutroner i aluminium och kadmium. Utrustning Mångkanalsanalysator Neutronkälla (Amerikum-241 & Beryllium-9) Tång Tidtagarur Dator OBS! Uppgift 1 och 2 skall göras innan laborationen genomförs. Genomförandet av vissa moment finns under Bilaga 1. Läs detta noga! Var noga med att använda gummihandskar när ni hanterar proverna eftersom strålningen annars kan vara farlig. 1

Neutronproduktion Snabba strålar av laddade partiklar kan produceras med hjälp av en accelerator på grund av att de har en elektrisk laddning. För neutroner, som är oladdade, existerar inte denna möjlighet. Neutroner kan dock produceras framgångsrikt med hjälp av olika kärnreaktioner. I den mäktigaste neutronkällan, uranreaktorn, är den neutronproducerande kärnreaktionen en fissionsprocess, dvs. tunga urankärnor klyvs med hjälp av neutroner till lättare grundämnen, samtidigt som det bildas fler neutroner. Flera neutronkällor av mer måttlig styrka bygger på principen att alfapartiklar (dvs. heliumkärnor) initierar en kärnreaktion med beryllium. Följande reaktion sker då: 4 9 1 2 α + 4Be 0 n+ 12 6 C Preparatet består då i regel av en alfaradioaktiv nuklid ( 226 Ra, 210 Po, 241 Am, mm) som sammanbakats med berylliumpulver. I många fall används nukliden 241 Am, eftersom dess sönderfall är förenat med mindre gammaproduktion än andra alfaradioaktiva nuklider. Då neutronerna bildas vid ovanstående kärnreaktion frigörs också energi, 5,71 MeV, som till största delen används som rörelseenergi hos neutronerna (då de är betydligt lättare än kolkärnorna). I detta experiment ska neutronerna åstadkomma en kärnreaktion med silverkärnor, och sannolikheten för denna reaktion beror på neutronernas rörelseenergi, därmed också på deras hastighet. Sannolikheten för en reaktion brukar anges som ett neutroninfångningstvärsnitt, σ, som kan tolkas som ett mått på storleken på den atomkärna med vilken neutronen ska reagera, ju större tvärsnitt desto större sannolikhet för reaktion. Neutroninfångningstvärsnittet är en funktion av 1/v, där v är neutronhastigheten. En långsam neutron har normalt större sannolikhet att åstadkomma en kärnreaktion än en snabb. De snabba neutronerna från preparatet behöver därför bromsas. Detta sker med så kallad moderering. Neutronerna undergår elastiska stötar med kärnor i materia så många gånger att de till slut har samma hastighetsfördelning som dessa. Neutronerna uppvisar då samma slags värmerörelse som andra partiklar i materien vid termisk jämvikt, och kallas därför termiska neutroner. Genom att utnyttja lagen om energins och rörelsemängdens bevarande hos de ingående isotoperna före och efter en kollision, kan man beräkna hur stor del av sin energi en neutron förlorar vid en rak elastisk stöt med en målpartikel, beroende på dennas massa. En neutron förlorar 1.9 % av sin energi till 208 Pb, 28.4 % till 12 C samt 50 % av sin energi till 1 H. 2

Neutronstrålning av silver Naturligt silver består av två isotoper, l07 Ag och 109 Ag i ungefär lika proportioner. Vid neutronbestrålning av silver sker följande reaktioner: 107 109 1 108 Ag+ n Ag + γ 0 1 110 Ag+ n Ag + γ 0 Båda de bildade nukliderna är radioaktiva, och sönderfaller under utsändande av betapartiklar, i detta fall elektroner. Dessa sönderfall kan beskrivas med följande formler: 108 110 Ag Ag 108 48 110 48 Cd + Cd + e e +υ +υ Vid bestrålningen ökar alltså antalet aktiva kärnor ( l08 Ag, 110 Ag) med tiden, men minskar samtidigt på grund av det radioaktiva sönderfallet. Efter en oändligt lång bestrålningstid uppnår man en mättnadsaktivitet, där jämvikt mellan antalet producerade aktiva kärnor och deras sönderfall råder. Hur snabbt man når mättnadsaktivitet, beror på sönderfallets halveringstid. Se figur 1. nedan. Figur 1. Antalet aktiva kärnor, N, som funktion av tiden. 3

Efter bestrålningens slut återstår endast det tidsberoende som förorsakas av det radioaktiva sönderfallet. Detta kan beskrivas som ett exponentiellt avtagande förlopp, med antalet aktiva kärnor, N λt = N 0 e (1) där No anger antalet aktiva kärnor vid det ögonblick då neutronbestrålningen avslutas, och λ = ln2/t 1/2, där T 1/2 anger isotopens halveringstid. Om man logaritmerar ovanstående uttryck, får man ett linjärt förhållande mellan ln N och tiden t, ln N = ln N λt 0 (2) Genom att plotta ln N som en funktion av t kan halveringstiden bestämmas med hjälp av lutningskoefficienten. Aktiviteten, som definieras som antalet sönderfall per tidsenhet, ges av A = Nλ (3) med enheten Bequerel (Bq). Vid en mätning av de från silverblecket emitterade betapartiklarna registreras aktiviteten från båda silverisotoperna samtidigt. Den totala aktiviteten fås då genom att addera aktiviteten för vardera isotop A A A tot = + (4) 108 110 Detektorn registrerar då en räknehastighet som är proportionell mot denna aktivitet. Funktionen är en summa av två exponentiellt avklingande funktioner. Fundera över hur de kommer att se ut i ett logaritmiskt diagram där ln A, avsätts som funktion av tiden. 4

Neutronkälla Neutronkällans mekaniska uppbyggnad framgår av nedanstående figur. Observera att preparatstyrkan är 1 Ci varför försiktighet måste iakttas. Källan skall under hela experimentet vara placerad inne i ett låsbart preparatskåp. All hantering vid källa av paraffinpropp och absorbatorbehållare skall utföras med en 75 cm lång preparattång. Paraffinprop Absorbator Preparat tång AmBe källa Plexiglas Paraffin Stålhölje Figur 2. Schematisk bild över neutronkällans uppbyggnad. Sedan aktiveringen avslutats skall den radioaktiva silverplåten tas ur absorbatorbehållaren och placeras under detektorn, dock så nära denna som möjligt. Eftersom den mesta strålningen från plåten är av typ β, skall den som genomför överflyttningen av plåten använda gummihandske som skydd. Detektorn Då ett gammakvantum helt absorberas i NaI-kristallen kommer gammafotonen att annihileras. Den ger då hela sin energi till en elektron genom (fotoelektrisk effekt). Fotoelektronen kommer att excitera ett antal atomer under sin uppbromsning. Då de exciterade atomerna återgår till grundtillståndet avger de energi. Den avgivna energin fås i form av elektromagnetisk strålning dvs. fotoner. En del av dessa fotoner kommer att träffa en ljuskänslig elektrod (fotokatoden) där de i sin tur slår ut elektroner. I fotomultiplikatorröret finns ett antal elektroder (dynoder) som accelererar elektronerna. För varje elektron som träffar en dynod bildas ett antal nya elektroner dvs. antalet elektroner i röret kommer att multipliceras. Till anoden kommer ett mycket stort antal elektroner, vilka ger upphov till en elektrisk puls. Pulsens storlek kommer att bestämmas av antalet elektroner som når anoden. 5

Uppgifter Uppgift 1 till 2 skall göras innan du kommer in i laborationssalen. 1. Doshastighet Anledningen till att man använder en tång (ca 75 cm) för att preparera proverna är att dosen blir betydligt lägre. Antag att doshastigheten på 75 cm avstånd från en fritt strålande källa är x Gy/h. Vad är då doshastigheten på 7,5 cm avstånd? 2. 222 Rd sönderfall Hur lång tid tar det för ett 222 Rd (Radon T 1/2 =3.8 dygn) preparat att sönderfalla 89%? 3. Mät bakgrundsstrålningen Kontrollera att mångkanalsanalysatorn är inställd som flerkanalsräknare (se separat apparatinstruktion). Öppningstiden för varje kanal skall vara 3 sekunder. Mät bakgrunden och försök uppskatta medelräknehastigheten/kanal. 4. Bestämning av silverisotopens halveringstid Genomförandet av uppgiften finns under Bilaga 1. Bestäm ur den erhållna kurvan halveringstiden för den långlivade silverisotopen. Gör gärna detta med hjälp av ett regressionsprogram eller miniräknare. Principen är att man först anpassar en rät linje till punkter vid långa tider och bestämmer halveringstiden ur riktningskoefficienten. Kontrollera i ditt diagram vilka punkter som lämpligtvis bör inkluderas i denna analys. Linjen beskriver vid varje tid t o hur många kärnor av den mer långlivade isotopen som sönderfaller per tidsenhet. Subtrahera därför detta antal från kurvan som beskriver den adderade aktiviteten. Du får då en ny rät linje som beskriver sönderfall med en kortare halveringstid. Bestäm denna på samma sätt. Genom att extrapolera båda dessa linjer till tiden 0 kan man bestämma andelen kärnor av respektive isotop då bestrålningen avslutas. Tänk på att transporttiden 20 sekunder måste räknas in. 6

5. Absorptionsegenskaper hos Aluminium och Kadmium Använd nuklidkartan för att ta reda på neutroninfångningstvärsnitten för aluminium- och kadmiumnukliderna. På nuklidkartan anges vanligen tvärsnittet med beteckningen Q och ett siffervärde. Enheten 1 barn = 10-28 m 2 är då underförstådd. För aluminiumisotopen är neutroninfångningstvärsnittet. Det största neutroninfångningstvärsnittet för en kadmiumisotop är. Det höga tvärsnittet för neutroninfångning i kadmium ( 113 Cd) är ett exempel på en resonans. Tvärsnittet avviker här från 1/v-lagen. Orsaken till detta är att dotternukliden 114 Cd har ett exciterat tillstånd (se figur 3.) som skiljer sig ifrån den ekvivalenta energinivån för 113 kadmiumkärna plus en fri neutron, ( 113 Cd + n), med endast 0,178 ev, dvs i omedelbar närhet av det termiska energiområdet. 114 Cdkärnan lämnas alltså efter neutronabsorption i ett exciterat tillstånd, men återgår till grundtillståndet genom gammaemission. Anledningen till den kraftiga neutronabsorptionen i kadmium är därför den höga sannolikheten för reaktionen vid vilken slutprodukten är den stabila nukliden 114 Cd. 113 Cd+n 9.05 MeV 0.178 ev Excitationsenergi 114 Cd för 114 Cd Figur 3. Resonans infångning vid ett exciterat tillstånd hos en sammansatt kärna vid reaktionen 113Cd(n,γ)114Cd. Genomförandet av uppgiften finns under Bilaga 2. 7

Bilaga 1 Genomförande av uppgift 4. Lägg en silverplåt och en paraffinpropp i absorbatorhållaren. Med hjälp av en stav för du sedan ned behållaren i neutronkällan varvid aktiveringen av silverplåten startas. Under den tid som aktiveringen tar, ca 10 min, kan du använda för att förbereda mätförfarandet. I samma ögonblick som aktiveringen avbryts, dvs. behållaren tas ur neutronkällan, skall ett stoppur startas. Den aktiverade silverplåten tas sedan ut ur hållaren, placeras på avsedd plåt och skjuts in i översta stativfacket. OBS! Gummihandsken skall användas när man tar i den aktiverade silverplåten. Analysatorn skall startas genom att ANALYZE intrycks exakt 20,0 sek efter det att aktiveringen avbrutits. Mät denna tid med stoppur. Därefter sköts datainsamlingen automatiskt och nästa mätserie kan förberedas genom att en ny silverplåt placeras i neutronkällan och tiduret startas. Efter 256 x 3 sek (~13 min) är analysatorn klar och ett diagram visas på skärmen. Kanal 0 innehåller en etta som svarar mot att analysatorn genomfört ett tidssvep. Upprepa mätning och aktivering tills dess att 3 mätserier fullbordats. Den kurva som sedan visas på analysatorns bildskärm skall nu överföras till en tabell samt föras in i ett dataprogram. Glöm inte att subtrahera bakgrunden du har mätt. 8

Bilaga 2 Genomförande av uppgift 5. Aktivera en silverplåt på samma sätt som tidigare. Mät denna gång med DWELL TIME i läge EXT. När nu analysatorn startas kommer endast kanal 1 att hållas öppen till insamlingen avbryts med READOUT. Mät under 2 min (kronometer) och anteckna värdet. Lägg sedan in silverplattan mellan två stycken aluminium plattor. Aktivera och utför mätning under lika lång tid som ovan. Upprepa experimentet men placera nu silverplattan mellan två kadmiumplattor. Medan plåten aktiveras kan du i nuklidkartan söka fram neutroninfångningstvärsnittet, (barn), för Al och Cd. Försök att med ledning av dessa tal förutsäga den förväntade skillnaden. Som sista del skall mätningen utföras med endast en kadmiumplatta placerad under silverplattan. 9