Ge1 és Ge2 Félvezető detektoros gamma-spektrometria
Környezetünkben természetes és mesterséges eredetű radioizotópok találhatók, amelyek előfordulhatnak levegőben, vízben, talajban, növényben, állatban és beépülhetnek az emberi szervezetbe is.
A nukleáris környezetvédelem feladata, hogy meghatározza a bioszféra különböző elemeiben a radioaktív izotópok minőségét, mennyiségét (hangsúlyozva a mintavétel megbízhatóságát). A környezeti mintákban a gamma-sugárzó nuklidok kimutatásához a legérzékenyebb módszer a félvezetős gamma-spektrometria.
A gamma-sugárzás energiája meghatározott érték (a spektruma tehát vonalas), jellemző az őt kibocsátó atommagra – a gamma-sugárzás tehát nuklidspecifikus.
A gamma-spektrometria a gamma-sugárzó nuklidok gamma-energiájának meghatározása alapján a nuklid minőségi meghatározását teszi lehetővé megfelelő nuklidkönyvtár segítségével.
A minőségi analízis mellett a gamma-sektrum teljesenergia csúcsainak intenzitásaiból (csúcs alatti terület) megfelelő hatásfok ismeretében az aktivitás, a radioizotóp mennyisége határozható meg.
A félvezetőkben a sugárzásból elnyelt energia hatására elektron-lyuk párok jönnek létre. Ge-ban egy elektron-lyuk pár létrehozásához szükséges energia viszonylag kicsi (2.9 eV 77 K hőmérsékleten). Ez az érték kb. 100-szor kisebb, mint pl. a NaI (Tl) szcintillációs detektorok megfelelő jellemzője, az egy fotoelektron létrehozásához szükséges energia.
Azonos energia-leadás esetén tehát két nagyságrenddel több töltéshordozó keletkezik Ge-ban, mint a szcintillációs detektorban. A töltéshordozók számának relatív statisztikus ingadozása így lényegesen kisebb lesz, ami a detektor sokkal jobb energiafelbontását eredményezi. A töltéshordozók száma arányos a leadott energiával (azaz teljes energialeadás esetén a gamma- foton energiájával). Ez a kapcsolat lineáris az egész energiatartományban. Az összegyűjtött töltésnek megfelelő feszültségimpulzus amplitúdója arányos a gamma-sugárzásból elnyelt energiával.
Az energiaszelektív detektor jeleinek feldolgozásához sokcsatornás analizátor szükséges. Működésének az a lényege, hogy az elnyelt energiával arányos feszültségimpulzusok szétválogatásához és megszámlálásához a vizsgálandó impulzusmagasság tartomány a csatornaszámnak megfelelő részre van osztva. Az erősítőből érkező impulzusok nagyságát megfelelő elektronika értékeli ki és az adott impulzusmagasságnak megfelelő csatorna tartalma minden analizált impulzussal, eggyel nő.
A tanszék a Canberra cégtől vásárolt HPGe (high purity) detektoros gamma- spektrométerének 8192 csatornás analizátora van.
A detektort folyamatosan cseppfolyós nitrogénnel kell hűteni.
A mérések szervezését, az adatok gyűjtését, a kalibrációkat, a kiértékeléseket a Genie 2000 program segítségével lehet elvégezni.
A felvett spektrumok kiértékeléséhez az energia és hatásfok kalibráció szükséges.
1
A kalibrációkhoz olyan ismert összetételű sugárforrásra van szükség, amely legalább 3, egymástól jól elkülönülő gamma-vonalat ad és amelyeknek pontosan ismerjük az aktivitásait.
Az energiakalibrációhoz leggyakrabban használt radioizotópok:
Co-60 1173.2 és 1332.4 keV
Cs-137 661.6 keV
Na-22 1274.6 és 511 keV
K-40 1462 keV
Cs-134 604.6 és 795.9 keV
Ba-133 356 keV
Y-88 898 és 1836.1 keV
Az energia-kalibráció lényege, hogy a csatornákhoz (feszültségtartományokhoz) energiákat rendelünk adott nagyfeszültségnél és erősítésnél. Az energia-kalibrációnak azt az energiatartományt kell lefednie, amelyben a vizsgálandó radioizotópok előfordulhatnak. Az energia-kalibráció lineáris.
A 8196 csatornás analizátorunk 2000 keV energiatartományt fed át.
Alkalmazott nagyfeszültség:
Erősítés:
Ha van energia-kalibrációnk, segítségével a mintánkban levő radioizotópokat tudjuk meghatározni. Ha ezek mennyiségét is tudni szeretnénk, hatásfok-kalibrációt is kell végeznünk.
A hatásfok-kalibráció függ a környezeti minta mérésénél alkalmazott geometriától: a minta lehet szilárd (pl. talaj, kőzet stb.) vagy folyadék (pl. ivóvíz, folyóvíz, tej stb.), a minták tömege különböző adott halmazállapotnál is (pl. néhány grammos porminta, nagyobb darab kőzetminta, vagy a vízminta lehet 50 ml, vagy 250 ml stb.).
Tehát az adott energiakalibráció mellett minden alkalmazott geometriánál el kell végezni a hatásfok- kalibrációt, amennyiben a mintában a radionuklid aktivitását is meg akarjuk határozni. Ehhez a környezeti minta mérésénél alkalmazott geometriájú, ismert összetételű és aktivitású sugárforrásra van szükség. Fordítva: amilyen geometriájú kalibrációt tudunk elvégezni, olyan geometriában mérhetjük a mintáinkat!
A gyakorlat első felében a kalibrációk elvégzését mutatjuk be.
Az alkalmazott sugárforrásokat a gyakorlatvezető adja meg.
A Genie-2000 programot a gyakorlatvezető ismerteti röviden (a programleírás teljes anyaga angolul rendelkezésre áll).
A gyakorlat második felében a hallgató által hozott környezeti minta (pl. csapvíz, tej, ásványvíz, otthoni kertből talajminta stb.) hosszú idejű lemérése után a spektrum kiértékelése történik a gyakorlatvezető segítségével.
A környezeti minták mérésénél nagyon fontos a háttérspektrummal történő korrigálás!
2
