Национальный Исследовательский Университет
«МЭИ»
кафедра «Инженерной теплофизики»
Лабораторная работа № 4
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ РАСПАДА Th-232 ПО ДАННЫМ ГАММА-СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Группа: ТФ-12-20
Студенты: Долгов Р.Н.
Дубынин И.А.
Преподаватель: Герасимов Д.Н.
Иванов Н.С.
Дата выполнения: 10.10.23
Москва 2023
Цель работы
Ознакомление с современной гамма-спектроскопической техникой, а также с основами идентификации нуклидов по спектру их излучения.
Теоретические основы работы
Так называемое семейство тория – ряд изотопов, образующихся в результате последовательных радиоактивных превращений, начиная с тория Th-232 и заканчивая стабильным изотопом свинца Pb-208:
Свойства изотопов семейства тория приведены в таблице ниже:
Нуклид |
Период полураспада |
Энергия гамма-квантов, МэВ |
Th-232 |
14.1*109 лет |
– |
Ra-228 |
5.75 лет |
– |
Ac-228 |
6.14 часов |
0.34; 0.908; 0.96 |
Th-228 |
1.91 лет |
0.084; 0.132; 0.167; 0.214; 0.239 |
Ra-224 |
3.66 суток |
0.241 |
Rn-220 |
55.6 секунд |
0.55 |
Po-216 |
0.15 секунд |
– |
Pb-212 |
10.64 часа |
0.239; 0.300 |
Bi-212 |
60.55 минут |
0.04; 0.288; 0.46; 0.727; 0.785; 1.620 |
Po-212 |
2.98*10-7 |
– |
Ti-208 |
3.07 минут |
0.583; 2.614 |
Pb-208 |
стабилен |
– |
Табл. 1. Период полураспада и энергии основных гамма-квантов нуклидов ряда тория
Таким образом, изотопы в радиоактивной цепочке являются источником одного или целого набора гамма-квантов характерной энергии. Исследуя спектр излучения вещества, можно выяснить, какие нуклиды в нем содержатся.
В качестве исходных данных уже заложено условие принадлежности излучающих изотопов семейству тория, в то время как в более реалистической ситуации даже приблизительный состав излучающих изотопов, как правило, неизвестен.
Обработка результатов эксперимента
Выполнена 300-секундная калибровка МКГБ–01 «РАДЭК» (сцинтилляционный спектрометр-радиометр гамма- и бета излучений) по изотопу Na-22. Значение управляющего напряжения (УН) выставлено в значении 38005, что соответствует каналу 171.2 [кэВ]. В результате был получен следующий спектр излучения.
Рис. 1. Спектр излучения изотопа Na-22.
После калибровки прибора был выполнен замер спектра излучения изотопа Th-232 длительностью 1800 [сек]. В результате был получен следующий спектр излучения.
Рис. 2. Спектр излучения изотопа Th-232.
После выполнения контрольного замера спектра излучения Th-232 был проведен анализ пиков излучения с помощью функции «Гауссиан» приложения «ASW». Были получены следующие значения энергии гамма-квантов излучения:
82.8 кэВ |
129.6 кэВ |
235.5 кэВ |
334.4 кэВ |
490.1 кэВ |
582.8 кэВ |
729.9 кэВ |
1097.4 кэВ |
1583 кэВ |
1602.7 кэВ |
2156.7 кэВ |
2642.8 кэВ |
Табл. 2. Полученные результаты.
Следует помнить о наличии в спектрах, снятых сцинтилляционными детекторами, пиков обратного рассеяния, обусловленных рассеянием гаммаквантов на элементах самого детектора (как правило, ФЭУ). Энергия, соответствующая пику обратного рассеяния, определяется по формуле:
hν' = hν / 1 + 2ε
Где: ε = hν / mc2 – отношение энергии исходного гамма-кванта (т.е. значения, соответствующего пику полного поглощения) к энергии покоя электрона, m – масса электрона.
По окончательному значению излучения гамма-квантов определяем соответствующие изотопы по табл. 1.
№ |
Е, кэВ |
Е', кэВ |
Изотоп |
Допускается к рассмотрению |
1 |
82.8 |
82.8 |
Th-228 |
Да |
2 |
129.6 |
129.5 |
Th-228 |
Да |
3 |
235.5 |
235.3 |
Ra-224 Th-228 Pb-212 |
Да |
4 |
334.4 |
334.1 |
Ac-228 Pb-212 |
Да |
5 |
490.1 |
489.6 |
Bi-212 |
Да |
6 |
582.8 |
577.9 |
Tl-208 |
Нет |
7 |
729.9 |
727.3 |
Bi-212 |
Нет |
8 |
1097.4 |
1092.5 |
– |
Нет |
9 |
1583 |
1571.1 |
Bi-212 |
Нет |
10 |
1602.7 |
1589 |
Bi-212 |
Нет |
11 |
2156.7 |
2141.2 |
– |
Нет |
12 |
2642.8 |
2622.4 |
Tl-208 |
Нет |
Табл. 2. Определение промежуточных изотопов цепочки Th-232 по их энергии излучения.
Вывод по лабораторной работе
Мы провели исследование спектра излучения Th-232 и по нему определили следующие изотопы: Th-228; Ac-228; Bi-212; Pb-212; Ra-224. Другие промежуточные изотопы нам не удалось зафиксировать т.к.:
Некоторые изотопы живут крайне малый промежуток времени и детектор не может зафиксировать их излучение так как оно складывается с пиком излучения другого изотопа.
На малых частотах сама частота излучения численно равна частоте обратного рассеивания.