Материал: Специфика подготовки проб и проведения измерений β-излучающих радионуклидов

Специфика подготовки проб и проведения измерений β-излучающих радионуклидов

Курсовая работа

Специфика подготовки проб и проведения измерений β-излучающих радионуклидов

Введение

излучение детектирование ионизационный радиационный

К настоящему времени известно около 900 β-радиоактивных изотопов. Из них только около 20 являются естественными, остальные получены искусственным путем. Именно этот вид распада характерен для подавляющего числа экологически наиболее опасных радионуклидов, попавших в окружающую среду в результате Чернобыльской аварии. Многие β-излучающие радионуклиды используются в качестве меток при исследовании свойств веществ и механизмов процессов. [1] От точности измерения активности зависит точность полученных результатов исследования.

Как известно, β-излучение имеет большую проникающую способность по сравнению с α-частицами, однако пробег β-частиц в веществе сравнительно мал, особенно в случае мягкого β-излучения. В биологической ткани пробеги β-частиц составляют от нескольких мм до 1-2-х см. В этой связи, измерение β-активности, так же как и измерение α-частиц, представляет собой непростую задачу и требует специальной подготовки проб и проведения измерения с учетом свойств излучения и их влияние на регистрируемую прибором активность.

В данной работе будут рассмотрены основные типы взаимодействия β-излучения с веществом и влияние этих свойств на корректность регистрируемой активности препарата, а так же будет выполнено описание основных моментов в приготовлении проб и ознакомление с методами детектирование β-излучающих радионуклидов.

1. Основные виды излучений

В 1898 году анализируя проникающую способность радиоактивного излучения урана, Э. Резерфорд обнаружил две составляющие этого излучения: менее проникающую, названную α-излучением, и более проникающую названную β-излучением. Третья составляющая урановой радиации, самая проникающая из всех, была открыта в 1900 году П. Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом γ-излучением. Спонтанное деление (образование осколков) было открыто в 1940 году Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком. В 1982 году З. Хофман открыл протонный распад, а в 1984 году ряд ученых, в числе которых Х. Роуз, Г. Джонс, Д.В. Александров, открыли кластерный распад (испускание С¹⁴).

Эти виды радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи (проходят через слой свинца толщиной 5-10 см). [2]

Поскольку β-излучение имеет непрерывный энергетический спектр, то проникающая способность β - частиц характеризуется максимальным пробегом частиц. Максимальный пробег (R_max) соответствует пробегу в данном веществе β - частиц максимальной энергии (E_max) в данном спектре β-излучения. Для нахождения R_max при E_max=(0,7÷15) МэВ можно воспользоваться формулой (1):

                                               (1)

В задачу настоящей работы входит рассмотрение особенностей β-излучения и методов измерения активностей β-излучающих препаратов.

2. Взаимодействие β-излучения с веществом

Заряженные частицы теряют свою энергию сравнительно небольшими порциями в результате многократного взаимодействия с атомами вещества.

При прохождении потока β-частиц через вещество происходит расходование энергии на ионизационные, радиационные, поляризационные потери, упругое рассеивание и черенковское излучение.

.1 Ионизационные потери

Взаимодействие β-частиц с атомными электронами приводит к передаче атомному электрону некоторой энергии, следствием чего является либо ионизация, либо возбуждение атома. Оба вида передачи энергии имеют примерно равную вероятность и объединяются под общим названием «ионизационные потери энергии». [4]

Ионизационные потери пропорциональны электронной плотности среды, уменьшается с ростом средней энергии возбуждения атома. С ростом энергии заряженной частицы потери сначала уменьшается, а потом, начиная с энергии β=0,9МэВ, остается почти постоянной [5]

.2 Радиационные потери

Неупругие процессы при взаимодействии электрона с ядром связаны с испусканием электромагнитного излучения, возникающего при ускорении электрона в кулоновском поле ядра. Рожденное в таком процессе γ-излучение является тормозным. Потеря энергии электрона на тормозное излучение называется радиационной.

При высоких энергиях преобладают радиационные потери, с уменьшением энергии играют большую роль ионизационные потери. Для электронов, испускаемых при радиоактивном распаде, радиационные потери в общем балансе потери играют незначительную роль, так как значения энергии β-распада обычно не превышают 5 МэВ. [6]

2.3 Поляризационные потери

Под действием электронов происходит поляризация атомов среды, в результате чего образуется атом-диполь. Вследствие этого происходит своеобразная защита отдаленных атомов среды и уменьшение поля на некотором расстоянии от частицы, что приводит к снижению потери энергии. При энергии электрона 16 МэВ теряется до 14% энергии. Поляризационный эффект наиболее характерен для твердых и жидких веществ. В газах он ничтожен до энергий электронов 100 МэВ. [5]

.4 Упругое рассеяние

При пролете заряженной частицы через атом в непосредственной близости от ядра происходит кулоновское взаимодействие с ядром, вследствие чего электрон меняет траекторию своего полета. [5]

Если толщина слоя мала, , где  - эффективное сечение процесса), то происходит только однократное рассеяние.

При больших толщин () получается кратное рассеяние, т.е. угол рассеяния обязан нескольким последовательным однократным актам рассеяния. При многократном рассеянии (среднее число актов рассеяния больше 20) угловое распределение рассеянных электронов является приблизительно гауссовым до тех пор, пока средний угол рассеяния меньше 20°.

Для еще больших толщин () угловое распределение рассеянных электронов принимает вид . Средний угол рассеяния достигает максимальной величины =33° и остается постоянным при дальнейшем увеличении толщины. Это случай полной диффузии.

Электроны выходят из слоя также и со стороны падающего пучка- это так называемое обратное рассеяние электронов. [7]

В целом на рассеяние тратится 1-2% энергии. [5]

.5 Черенковское излучение

Заряженные частицы теряют свою энергию также на черенковское излучение - излучение света, возникающее при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде (т.е. скорость распространения световых волн). Необходимое условие его возникновения:

βn>1                                                                                      (2)

где n-показатель преломления среды, β=v/c (v-скорость движения частицы в среде, с - скорость света).

Черенковское излучение распространяется под острым углом к направлению движения частицы.

Потери энергии на черенковское излучение весьма малы, их доля составляет 0,2% от общей потери. [5]

3. Отличительные особенности β-детектирования

Наличие рассмотренных выше типов взаимодействия β-излучения с веществом ставит перед исследователем задачи по разработке методик приготовления проб и проведения измерения с целью минимизации влияния этих свойств на получаемые значения детектора и повышения точности измерений.

.1 Методы приготовления радиоактивных препаратов

На радиометрические измерения поступают пробы, загрязненные радиоактивными веществами, в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Из проб готовятся радиоактивные источники, которые подвергаются радиометрическим измерениям.

Приготовление радиоактивных источников является важным подготовительным этапом в измерении активности. От выбора типа источника и метода его приготовления зависит трудоемкость и степень точности измерения активности. При выборе типа источника необходимо учитывать методику измерения радиоактивности, энергию излучения, схему распада, содержание неактивных примесей (балластных солей) и т.д.

Из твердых и жидких проб готовятся источники, характеризующиеся различной толщиной. Газообразные пробы обычно измеряются в виде объемных радиоактивных источников. [8]

Приготовление препаратов - стадия, которой в большинстве случаев предшествовал химический процесс, сопровождающийся отделением радиоактивного вещества, его концентрированием или, наоборот, разбавлением. Твёрдые препараты приготавливают из растворов радиоактивных изотопов. Поскольку радионуклиды присутствуют в растворе в ультрамалых концентрациях, их можно легко потерять (явление адсорбции, образование радиоколлоидов и т.п.). Чтобы свести этот эффект к минимуму, используют свежеприготовленные растворы изотопов на свежей дистиллированной воде; растворы подкисляют. Все операции с растворами проводят в пластмассой (или стеклянной, но покрытой силиконом) посуде. Если химическое соединение, в которое входит радиоактивный изотоп, при высушивании препарата может быть потеряно, то его высушивают в вакуум-эксикаторе, а еще более надежно - переводят изотоп в нелетучее соединение.

Выбор материала подложки для приготовления препарата зависит от химического состава раствора, содержащего радиоактивный изотоп. Так, сильнокислые или щелочные растворы нельзя наносить на алюминий, фильтровальную бумагу, некоторые тонкие органические плёнки и другие материалы, но можно использовать медь (кроме растворов с НNO3), стекло (HF), платину (царская водка) и т.д. Толщина подложки обусловлена допустимой величиной обратного рассеяния. Пренебречь этим эффектом можно лишь в случае очень тонкой подложки. При «бесконечно» толстой подложке эффект достигает постоянного значения (насыщение обратного рассеяния, наступающее при толщине подложки, превышающей 1/5 максимального пробега β-частиц). Известно, что ионизирующее излучение поглощается в активном слое препарата - эффект самоослабления или самопоглощения. Максимальная толщина активного слоя определяется допустимой величиной самоослабления, при которой обеспечивается измерение активности препарата с заданной точностью. [2]

Известно несколько способов изготовления радиоактивных препаратов: испарение на подложке, фильтрование осадков, центрифугирование, осаждение из суспензии, электролитическое осаждение, электрокапиллярное напыление, специальные способы (напыление в вакууме, катодное распыление, оксидирование, сорбционное поглощение и др.). Каждый из них можно с успехом применять для приготовления препаратов при относительных измерениях, но лишь некоторые способы позволяют получать препараты, отвечающие требованиям абсолютных измерений. [3]

Виды источников по толщине

Для классификации источников β-излучения принимается их градация по толщине. В зависимости от толщины источники бывают тонкие, толстые и промежуточные.

Тонкие источники

Тонкими β-активными источниками считаются такие, в которых самопоглощение и саморассеяние β-частиц не превышает 1%. Данное условие выполняется для источников толщиной при Z_эфф<40:

                                                                     (3)

При Z_эфф≥40:

                                                                   (4)

где δ_ист - толщина источника (мг/см²); d_1/2 - слой половинного ослабления β-излучения (мг/см²); Z_эфф - средний эффективный номер вещества источника.

Для радиоактивных изотопов с энергией β-частиц E_β≥0,4 МэВ тонкими будут источники толщиной не более 0,1 мг/см². [8]

Тонкие источники обычно готовятся из растворов с малым солесодержанием, исключающих потери радиоизотопов за счет адсорбции, осаждения и улетучивания. Приготовление таких растворов достигается введением в них необходимого количества соответствующего носителя и созданием нужной рН среды.

Обычно тонкие источники готовятся для измерения радиоактивности абсолютным методом с помощью 4 π-счетчика. В этом случае большое значение при приготовлении источника имеет выбор толщины и материала подложки. Чтобы пренебречь обратным отражением β-частиц от подложки, ее толщина должна быть не более 1 мг/см².

В качестве материала для таких подложек используются вещества с малым атомным номером и достаточной прочностью (чаще всего органические вещества - полихлорвиниловый лак ПХВ-70, коллодий, полиуретановый лак, органическое стекло, цапонлак и пр.). Наиболее часто используется лак ПХВ-70 и коллодий, при этом лак ПХВ-70 предварительно разбавляется ксилолом, а коллодий растворяется в амилацетате. Из этих веществ готовятся тонкие пленки, которые используются в качестве подложек.

Пленки готовятся следующим образом: 2÷4 капли раствора лака ПХВ-70 или коллодия наносятся на поверхность дистиллированной воды, налитой в кристаллизатор диаметром 20÷30 см. Силы поверхностного натяжения растягивают капли в тонкую пленку. После двух-трех минутного испарения растворителя на липкую пленку кладутся алюминиевые диски-держатели, к которым и приклеивается пленка. Обычно применяются диски из алюминиевой фольги диаметром 40÷50 мм и толщиной 0,1÷0,3 мм. Диск по диаметру имеет три отверстия: центральное диаметром 8 мм и два периферийных диаметром по 4÷5 мм (рис. 1).

Рис. 1. Стандартный диск - держатель

Центральное отверстие заклеивается пленкой, периферийные отверстия служат для протока газа при измерении радиоактивности с помощью 4π-счетчика. Толщина пленки определяется взвешиванием. Первоначально устанавливается вес диска-держателя без пленки, затем вес диска-держателя с приклеенной и просушенной при комнатной температуре пленкой. По разности результатов взвешиваний находится масса пленки в мкг, определяется ее площадь в см² и рассчитывается толщина в мкг/см².

Пленки из лака ПХВ-70 обладают высокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, большой механической прочностью, поэтому им отдается предпочтение при необходимости длительного хранения радиоактивных источников.