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 Th232 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
2
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.
|
950 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
900 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
850 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
750 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
650 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
канале |
550 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Счет |
450 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
350 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Канал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 |
||||||||||||||||||||
3
излучения.
Счет в канале
24 000
23 000
22 000
21 000
20 000
19 000
18 000
17 000
16 000
15 000
14 000
13 000
12 000
11 000
10 000
9 000
8 000
7 000
6 000
5 000
4 000
3 000
2 000
1 000
0
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1 000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Канал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
4
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ra-224 |
|
|
3 |
235.5 |
235.3 |
Th-228 |
Да |
|
|
|
|
Pb-212 |
|
|
4 |
334.4 |
334.1 |
Ac-228 |
Да |
|
Pb-212 |
|||||
|
|
|
|
||
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.:
1.Некоторые изотопы живут крайне малый промежуток времени и детектор не может зафиксировать их излучение так как оно складывается с пиком излучения другого изотопа.
2.На малых частотах сама частота излучения численно равна частоте
5
обратного рассеивания.
6