Лабораторные работы / ЛБ 2.2

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра радиохимии и прикладной экологии

Лабораторная работа №2.2

Спектрометрия ионизирующих излучений

Преподаватель		Недобух Т.А.
Студенты		Сапунов А.Г. Хитрых А.В.
Группа		Фт – 320016

Екатеринбург

2025г.

Цель работы: Проведение качественного и количественного анализа неизвестного источника с помощью спектрометра.

Задачи:

1. Снять спектры излучения радиоактивных источников ОСГИ (2-4 шт.) в одинаковых условиях;

2. Проанализировать графики аппаратурных спектров всех изучавшихся источников и провести их обработку;

3. С использованием паспортных данных эталонных источников провести градуировку по энергии, эффективности и разрешению. Построить соответствующие графики.

4. Снять аппаратурный спектр неизвестного радиоактивного источника, с помощью полученных градуировочных зависимостей определить энергию излучения этого препарата;

5. Провести идентификацию радионуклида, определить его абсолютную активность с использованием известного значения эффективности;

6. Провести качественный и количественный анализ неизвестного источника.

Теоретическая часть

Спектрометрия ионизирующих излучений является разделом экспериментальной ядерной физики, занимающимся измерением и анализом энергетических спектров ионизирующих излучений. Под энергетическим спектром понимается распределение по энергии ионизирующих частиц или квантов фотонного излучения.

В том случае, когда речь идет о моноэнергетическом излучении, сопровождающем радиоактивный распад (α-, γ-излучение, электроны конверсии, характеристическое рентгеновское излучение и др.), энергетический спектр позволяет непосредственно определять эту энергию. Когда излучение имеет непрерывное распределение по энергии (например, при β-распаде), оно характеризуется максимальной или средней энергией. Эти энергетические характеристики также определяются по энергетическому спектру.

Ионизационный метод основан на измерении ионизационного эффекта, возникающего в чувствительном объеме детектора при взаимодействии с ним ионизирующего излучения.

Распределение импульсов по амплитудам, получаемое на спектрометрах при регистрации заряженных частиц или фотонов – аппаратурный спектр. При регистрации моноэнергетических частиц или фотонного излучения, называется аппаратурной линией.

Аппаратурная линия состоит из амплитудного распределения и непрерывного распределения. Первый соответствует полной потере энергии заряженной частицы в чувствительной области детектора – пик полного поглощения (ППП). Второй – это следствие процессов, приводящих к частичной потере энергии заряженными частицами вне чувствительной области детектора.

Абсолютная эффективность регистрации в ППП ε_абс, – это отношение числа частиц определенной энергии, зарегистрированных в ППП в единицу времени, к внешнему излучению источника, установленного на заданном и фиксированном расстоянии от детектора. В соответствии с этим определением εабс рассчитывают по формуле ε_абс =

Градуировочная характеристика по энергии – зависимость между значениями энергии регистрируемого моноэнергетического излучения и номерами каналов амплитудного анализатора, в которых зафиксированы максимумы соответствующих ППП.

Градуировочная характеристика спектрометра по эффективности регистрации. Заключается в определении значений абсолютной эффективности регистрации εабс в разных точках энергетического диапазона и описании совокупности этих значений определенной функциональной зависимостью.

Характеристикой преобразования спектрометров является градуировочная характеристика по энергии – зависимость между значениями энергии регистрируемого моноэнергетического излучения и номерами каналов амплитудного анализатора, в которых зафиксированы максимумы соответствующих ППП. Для всех серийных спектрометров характеристику преобразования представляют в виде прямой линии: Е = А + В_n

Расчётная часть

Результаты измерения источника γ-излучения представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1. Результаты измерения

№	Радионуклид	Eпасп, кэВ	n, канал	I ППП, имп/с			lnE	ln	Ai, Бк	ηсп, кэВ
1		516,19	205,93	1,01*103	0,071	1,8088	6,25	-2,65	7936,45	56,9358
2		1279,48	434,28	1,99*102	0,025	0,9994	7,15	-3,69		79,7116
3		651,03	247,19	5,46*103	0,075	0,8508	6,48	-2,58	85107,71	53,7751
4	«Х»	1181,13	404,82	24,58	0,029	0,9989	7,07	-3,53	848,51	62,1816
5		1342,24	453,08	21,81	0,025	0,9998	7,20	-3,69	872,56	63,8268

В таблице 2 приведены данные для расчета активности ОСГИ на момент эксперимента.

Таблица 2. Данные о комплекте ОСГИ, включая аттестованные

Радионуклид	№ Г.С	Энергия излучения, кэВ	Выход, Iабс,%	T1/2	A0, кБк
	7190	511,0000	180,88	2,603 года	89,8
		1274,543	99,940
	8083	661,660	85,08	30,08 лет	105,0

Дата аттестации – 13.04.2016

Дата проведения эксперимента – 23.05.2025

Разница между датами: t = 3 327 суток

Активность источника рассчитываем по формуле:

Абсолютная эффективность по формуле:

где скорость счета j-го ППП за вычетом фона, имп/c;

– выход γ-квантов на распад для j-й линии, доля;

– активность препарата с учетом времени, прошедшего с момента аттестации образцового источника до момента измерения, Бк.

Энергетическое разрешение рассчитывали по формуле:

где E_i – энергия регистрируемого излучения

С использованием данных эталонных источников провели градуировку по энергии, эффективности и разрешению, построили соответствующие графики, представленные на рисунках 1, 2, 3.

Рисунок 1 – Градуировочный график по энергии

Рисунок 2 – Градуировочный график по эффективности

Рисунок 3 – Градуировочный график по разрешению

Был снят аппаратурный спектр неизвестного радиоактивного источника.

С помощью полученных градуировочных зависимостей удалось определить энергию излучения этого препарата:

E_х = 3,35 · n – 174,68

E­_х = 3,35 · 404,82 – 174,68 = 1181,467 ; E­_х = 3,35 · 453,08 – 174,68 = 1343,138

По таблице «Ядерно-физические характеристики нуклидов из комплекта ОСГИ» провели идентификацию радионуклида – неизвестным оказался радионуклид ⁶⁰Cо

Определили абсолютную активность, разрешение ⁶⁰Cо с использованием известного значения эффективности для данной энергии излучения. Все результаты внесли в таблицу 1:

lnε_{j, абс} = -1,25 · lnЕ + 4,2766

lnЕ = ln(1181,47) = 7,07

lnε_{j, абс} = -1,25 · 7,07+ 5,31 = -3,53

ε_{j, абс} = 0,029

Выводы

По результатам выполнения лабораторной работы были изучены методы качественного и количественного анализа неизвестного источника ионизирующего излучения с использованием спектрометра.

Была проведена градуировка спектрометра по энергии, абсолютной эффективности регистрации и энергетическому разрешению.

Энергетическая калибровка выполнена на основе известных пиков стандартных источников. Получена линейная зависимость энергии γ-квантов от номера канала амплитудного анализатора: E = 3,35·n – 174,68

По аппаратурному спектру неизвестного источника определено положение пиков полного поглощения (ППП): n = 404,82 и n = 453,08, что соответствует энергиям E =1181,47 кэВ и E = 1343,14 кэВ.

На основании качественного анализа и таблицы ядерно-физических характеристик радионуклидов неизвестный источник идентифицирован как ⁶⁰Co.

Абсолютная эффективность регистрации ε_j,абс для энергии 1181,47 кэВ рассчитана по логарифмической зависимости: lnε_j,абс = -1,25 · lnЕ + 5,31 аналогично и для второго значения энергии.

Произведена количественная оценка абсолютной активности источника ⁶⁰Co на основании интенсивности линии, выходного γ-перехода и рассчитанной эффективности.