Physics | Spectroscopy » Molnár Zsuzsa - Mérés folyadékszcintillációs méréstechnikával

BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Nukleáris Technikai Intézet MÉRÉS FOLYADÉKSZCINTILLÁCIÓS MÉRÉSTECHNIKÁVAL Molnár Zsuzsa Hallgatói gyakorlat mérési útmutató Budapest, 2007. február 1. ELMÉLET A folyadékszcintillációs méréstechnika kis áthatoló képességő sugárzások (β, α, lágy γ) mérésének egyedülálló módszere. A mérés során az abszorpció és az önabszorpció gyakorlatilag kiküszöbölhetı, közel 100% hatásfok érhetı el. A módszert leggyakrabban 14C, 3H, 90Sr−90Y, 125I izotópok mérésére, környezetellenırzés, kormeghatározás, nyomjelzéses vizsgálatok során alkalmazzák. A folyadékszcintillációs méréseknél a mérendı radioaktív anyagot finom szuszpenzió vagy oldat formájában a szerves szcintillátor anyaghoz keverik. A mérendı minta ezután tartalmazza a radioaktív anyagot, az oldószert valamint a szcintillátort, ezen kívül számos esetben különbözı szennyezı-anyagok is jelen

vannak a mintában. A keverék fı tömegét az oldószer teszi ki, ezért a sugárzás energiáját közvetlenül az oldószermolekuláknak adja át, azokat gerjeszti, a folyamat során elsı lépésben számos gerjesztett oldószermolekula keletkezik, ezek veszteség nélkül továbbítják az energiát a szcintillátor molekuláknak, amelyek a látható vagy ultraibolya tartományba tartozó fénykvantumok kibocsátásával jutnak alapállapotba (l. 1 ábra). A szcintillátort úgy kell megválasztani, hogy az általa kibocsátott fény hullámhossza a fotókatód érzékeny tartományába essen, régebbi készülékekben ez a feltétel nem teljesíthetı, ezért az oldószeren kívül egy hullámhossz eltoló vegyszert is adagolnak a mintához. Egyetlen béta részecskének kölcsönhatása révén számos foton emittálódik, számuk arányos a béta részecske energiájával, így a fotoelektronsokszorozók által mért fényerısség is arányos a detektált béta részecske

energiájával. Azokat a hatásokat, amelyek során a gerjesztési energia egy része nem jut el a szcintillátorhoz kémiai quench hatásnak (kémiai kioltásnak) nevezzük. A kémiai quench következményeként a béta sugárzás energiájáról kapott információ hibás lesz, szélsıséges esetben a mért beütésszám is alacsonyabb (a keletkezı fotonok száma nem elegendı a detektáláshoz), ez a mérés hatásfokának romlásához vezet (a béta spektrum változását szemlélteti a 2. ábra) A kémiai quench-et olyan kémiai szennyezıdések okozzák, amelyek a gerjesztési energiát a molekula hımozgásává alakítják ( pl. erıs savak, lúgok) 1. ábra 2 A mintában megjelenı színes anyagok okozzák az un. szín quench-et (szín kioltást), a folyamatban a szcintilláció során keletkezı fotonok elnyelıdnek, ez szintén a kimenı jel csökkenéséhez vezet. A quench által okozott veszteségek számbavétele különbözı quench korrekciós eljárások

alkalmazásával lehetséges. E 2. ábra 2. A BERENDEZÉS FELÉPÍTÉSE: A mai berendezések elvi felépítését a 3. ábra mutatja, fontosabb részei a következık: - két fotomultiplier (PMT) koincidenciás kapcsolásban, - a két impulzus összegzése (a mérés hatásfoka javul), - a keletkezı jel feldolgozása erısítést követıen történhet: - egyszerő számlálóval, - két - három csatornás impulzus, amplitúdó analizátorral (PHA), - sokcsatornás analizátorral A 3. ábrán három csatornás számlálóval ellátott mérıberendezés vázlata látható 3 3. ábra Koincidencia kapcsolt fotoelektronsokszorozók A fotoelektronsokszorozók elektromos zaja szobahımérsékleten a szcintillációból származó impulzusokkal összevetve olyan magas, hogy a detektálás megbízhatatlanná válik, ezért a kereskedelemben kapható folyadék szcintillációs berendezésekben két fotomultipliert helyeznek el. A két fotomultipliert koincidenciásan kapcsolják, így

a kimeneten akkor jelenik meg egy jel, ha igen rövid idın belül (1 µsec alatt) mindkét fotomultiplier megszólal. A koincidencia kapcsolás nagy mértékben csökkenti a berendezés hátterét, mivel a zajimpulzusok véletlenszerően jelennek meg az egyes detektorokban. A folyadékszcintillációs oldatok A folyadékszcintillációs oldatok, amelyek a vizsgálandó radioaktív anyagot diszpergálják vagy oldják, a következı összetevıket tartalmazzák: - oldószer, - szcintillátor. Az oldószer biztosítja a mérendı minta valamint a szcintillátor egyidejő oldását, abszorbeálja a radionuklid sugárzási energiáját és továbbítja azt a szcintillátor molekula felé. A gerjesztési energia továbbításához legalkalmasabbak az aromás vegyületek (toluol, xilol), melyek szabad π- kötéseik révén veszteség nélkül adják át az energiát a szcintillátor molekuláknak. Az aromás oldószerek azonban nem elegyednek a vízzel, ezért ilyen esetekben komplex

oldószereket kell alkalmazni. Gyakran használnak olyan koktélokat, amelyek valójában nem oldják, hanem csak diszpergálják a mintát, ilyen esetekben azonban a mérési hatásfok változására nagyon kell ügyelni. A modern rendszereknél igyekeznek elkerülni a mérgezı vagy gyúlékony anyagokat. A szcintillátor olyan anyag, amely fényimpulzust bocsát ki béta sugárzás hatására. A fenil-oxazol molekulák igen jó szcintillátorok, mert sok konjugált kettıs kötést tartalmaznak. Ma számos szcintillátort alkalmaznak, ezek kezdıbetőik alapján váltak ismertté: PPO, PPD, PBP stb. Jelenleg számos gyárilag összeállított szcintillációs koktél kapható a kereskedelemben, de sokan alkalmaznak házilag elkészített keverékeket is. 4 Mintatartó edény A mintatartóval szemben számos követelményt támasztanak: alacsony háttér, átlátszóság, kémiai ellenálló képesség a szcintillációs koktéllal szemben. Fontos szempont az ár is, mivel

ezeket az edényeket általában csak egyszer lehet felhasználni. A gyakorlatban üveg ill mőanyag edényeket használnak Az üveg ellenállóbb a vegyszerekkel szemben, viszont drága és magas lehet a kálium tartalma, ez pedig a 40K miatt háttérnövekedéshez vezet. A mőanyag jóval olcsóbb, természetes háttere is alacsonyabb, kémiai ellenálló képessége azonban rossz, sokszor áteresztıvé válik a szcintillációs koktélra, ez részben rontja a mérés hatásfokát, másrészt a berendezés elszennyezıdése is bekövetkezhet. 3. SPEKTRUMANALÍZIS A folyadékszcintillációs berendezésekben a fotókatódra érkezı fényimpulzusok elektromos jellé alakulnak, a jelek nagysága egyenesen arányos a detektorra érkezı fotonok számával, vagyis a sugárzás energiájával. A jelek megfelelı erısítés után egy vagy több csatornás analizátorba kerülnek, ahol megtörténik a jelfeldolgozás. A modern berendezések sokcsatornás analizátorok, amelyek szabadon

programozhatók, mintaváltók segítségével nagyszámú minta mérését teszik lehetıvé, számítógép csatlakoztatásával a hatásfok korrekciók is elvégezhetık. 3.1 SZÁMLÁLÁSI HATÁSFOK A folyadékszcintillációs berendezésekben tríciumra kb. 60% hatásfok érhetı el, 14C vagy 35S izotópokra pedig kb. 96% A folyadékszcintillációs méréstechnikában a rendszer kalibrációja a quench hatások miatt elég bonyolult. A kémiai ill a szín quench hatására az energiaspektrum az alacsonyabb tartományok felé tolódik el, és számlálási veszteség is bekövetkezik. A quench okozta veszteség kis energiájú sugárzások (pl. trícium) esetén sokkal hangsúlyozottabb 3.2 QUENCH KORREKCIÓS MÓDSZEREK Belsı standardizálás Belsı standard alkalmazása esetén a számlálási hatásfok meghatározásához a minta mérését követıen a mintához ismert aktivitású standardot adnak, a standard aktivitásának összemérhetınek kell lennie a mintában lévı

aktivitással. Ekkor a mérés hatásfoka: ε= C S + i − CS Ai Ahol: Cs a minta számlálási sebessége, Cs+i a minta és a standard együttes számlálási sebessége, Ai a standard aktivitása. 5 Csatorna-arány módszer A módszer alkalmazása esetén két csatornában összegzik a beütéseket, az elsı, széles tartomány a maximális beütésszámot adja meg, a másik, a magasabb energiatartományba esı rész pedig lehetıvé teszi a quench mértékének megállapítását. Azonos quench esetén az A és a B csatornák aránya állandó, a quench növekedésével viszont ez az arány megváltozik, a változás mértéke függ a quench hatás nagyságától. Külsı standard módszer Külsı standard alkalmazása esetén a mérendı minta közelébe egy nagy aktivitású, kis energiájú gamma-sugárzást kibocsátó forrást helyeznek el. A forrás által kibocsátott sugárzásnak a mérendı mintában bekövetkezı Compton szóródása során keletkezı

spektrum egyes tartományainak elemzése lehetıséget nyújt a quench mértékének megállapítására és a quench korrekciós görbe felvételére. Külsı forrásként 133Ba, 137Cs, 226Ra, 241Am izotópokat használnak, a minta mérése elıtt a forrást a minta közelébe helyezik és mérik a mintában keletkezı Compton elektronok által létrehozott spektrumot. A módszer elve hasonló a csatorna-arány módszerhez, itt is a spektrum két tartományában mért beütésszámok arányából lehet a quench mértékére következtetni, ennek a paraméternek az értéke nem függ a mintában lévı esetleges szennyezı izotópoktól, tehát kizárólag a quench mértékérıl ad információt. A gyakorlatban számos egyéb quench paramétert is alkalmaznak, ezek az egyes gyártók által különbözı matematikai módszerekkel definiált paraméterek, ilyen a "Spectral Index of Sample" (SIS), melyet a Packard gyártmányú berendezéseknél alkalmaznak, a SIS az

átlagenergia eltolódását számítja, segítségével a quench korrekciós görbe felvehetı. A különbözı quench korrekciós eljárások lehetıvé teszik a quench által okozott hatásfok-csökkenés korrekcióba vételét, azonban ezek a módszerek csak bizonyos korlátok között alkalmazhatók, ezért a minta-elôkészítés során törekedni kell a quench kiküszöbölésére. 4. SPECIÁLIS ELJÁRÁSOK Alfa-sugárzás detektálása Az alfa-sugárzás energiája általában 4-6 MeV tartományba esik, az α bomlás monoenergetikus. Az alfa részecske és a szcintillátor közötti kölcsönhatás során relatíve kevesebb foton emittálódik , mint béta sugárzás esetén (β sugárzásnál kb. 10 foton/keV, α sugárzásnál viszont mindössze 1 foton/keV a fotonemisszió), ezért a folyadékszcintillációs mérıberendezés felbontóképessége α sugárzás mérésekor igen rossz, mindössze 700-1000 keV. Ez általában nem teszi lehetıvé a különbözı energiájú

alfa sugárzó izotópok szeparálását, de megfelelı kémiai elválasztás után a mérés közel 100%-os hatásfokkal elvégezhetı. (Leggyakrabban a radon és leányelemeinek mérése történik folyadék szcintillációs méréstechnika alkalmazásával). Cserenkov számlálás Cserenkov sugárzás keletkezik, ha egy töltött részecske gyorsabban halad valamely közegben, mint amekkora sebességgel a fény halad át az adott közegen. A keletkezı Cserenkov sugárzás spektruma az UV sugárzás tartományába esı folytonos spektrum. A modern folyadékszcintillációs mérıberendezések alkalmasak a Cserenkov sugárzás detektálására (régebbi berendezésekben a fotókatód nem érzékeli az UV 6 sugárzást, ilyen esetben hullámhossz eltoló anyagot kell a mintához adagolni). Amennyiben a minta vizes közegben van, a minimális béta-energia, ami Cserenkov sugárzás kibocsátásával jár 262 keV. A mérés hatásfoka Cserenkov sugárzás esetén jóval rosszabb,

mint normál szcintillációs mérés esetén, hiszen csak a küszöb energiát meghaladó részecskék képesek a fényimpulzusok kiváltására, ezért jó hatásfokkal csak az 1 MeV energiánál nagyobb maximális béta-energiájú nuklidok mérésére alkalmazható. Elınye, hogy nincs szükség drága szcintillációs koktélok alkalmazására, valamint bizonyos szelekciót is jelent, hiszen a kis energiájú sugárzás nem vált ki jelet, tehát nem zavarja a mérést. γ- sugárzás detektálása A folyadék szcintillációs mérıberendezések elsısorban béta sugárzás mérésére szolgálnak, de kis energiájú gamma sugárzás detektálása is lehetséges ezekkel a berendezésekkel. A kis energiájú gamma sugárzás fotóeffektus útján lép kölcsönhatásba az oldószer molekulákkal, nagyobb energia esetén pedig a Compton szóráson keresztül detektálható a sugárzás a mérırendszer segítségével. Az eljárást alkalmazzák 125I izotópok mérésénél az un.

RIA (Radio Immuno Assay) elemzések során 5. MÉRÉSI FELADATOK 1. Mérési hatásfok meghatározása különbözı izotópokra, 2. Quench korrekciós görbe felvétele SIS ill a TSIE paraméterek alkalmazásával, 3. Ismeretlen minta aktivitásának meghatározása, A mérésnél alkalmazott berendezések, eszközök: - Folyadékszcintillációs számláló, (TriCarb 1000 TR) - szcintillációs koktél (Insta-gel-plus), - standard oldatok (14C, 3H, 90Sr - 90Y, 210Po), - kloroform, - mikropipetták. 6. A MÉRÉS MENETE 1. A mérési hatásfok meghatározása • standard források készítése a hiteles oldatok felhasználásával • béta-spektrumok felvétele, a hatásfok értékek számítása, a SIS ill. TSIE paraméterek feljegyzése 2. Quench görbe felvétele • Ni-63 izotóp mérése két különbözı csatornákban, a SIS paraméterek, ill. a TSIE paraméterek feljegyzése, • a mérés ismétlése különbözı mennyiségő (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 µl) kloroform

hozzáadása után, • a mérési hatásfok ábrázolása a SIS ill. a TSIE paraméterek függvényében 3. Ismeretlen minta aktivitásának meghatározása • ismeretlen minta spektrumának felvétele, • a minta aktivitásának számítása. 7 7. ELLENÖRZİ KÉRDÉSEK 1. A környezetben megtalálható fontosabb radioaktív izotópok 2. C-14 kormeghatározás elve, Trícium elemzés 3. Az atomerımőben található legfontosabb tisztán béta sugárzó izotópok 4. Mikor célszerő LSC méréstechnikát alkalmazni? 5. Mérési hatásfok meghatározásának legfontosabb módszerei a folyadékszcintillációs méréstechnikában 8