Optimizacija direktne LSC metode za detekciju 14C u vodi

UNIVERZITET U NOVOM SADU 

PRIRODNO-MATEMATIČKI 

FAKULTET 

DEPARTMAN ZA FIZIKU 

Optimizacija direktne LSC metode za detekciju 

14

C u 

vodi 

- diplomski rad -  

Mentor

: prof. dr Nataša Todorović 

Student

: Sonja Vidović 

Novi Sad, April 2022. 

1 

Zahvaljujem se svojoj mentorki prof. dr Nataši Todorović koja mi je pružila priliku da 

učestvujem u realizaciji ovog eksperimenta, koja je bila tu da mi prenese znanje i da mi da 

korisne sugestije prilikom samog eksperimenta, kao i pri pisanju ovog rada. Takođe se 

zahvaljujem i prof.  dr Ivani Stojković, prof. dr Jovani Nikolov i mast. hem. Branislavi 

Tenjović na svoj pomoći. 

Pored zahvalnosti za svu pomoć prilikom izrade i pisanja samog rada, dugujem zahvalnost 

i samoj Katedri za nuklearnu fiziku i svim njenim profesorima i asistentima koji su mi 

prenosili svoje znanje u toku studija i koji su zaslužni za moju ljubav prema nuklearnoj 

fizici, koji su uvek bili tu da odgovore na studentske nedoumice i da mi daju korisne savete. 

Veliku zahvalnost dugujem i svim sebi bliskim ljudima koji su bili tu da me podrže u toku 

mojih studija. 

3 

Uvod 

Tehnika tečne scintilacione spektroskopije - LSC je jedna od metoda detekcije i analize 
zračenja.  Cilj  ovog  rada  je  bila  optimizacija  metode  direktnog  merenja  koncentracija 
aktivnosti za izotop 

14

C u vodi kako bismo imali brzu i efikasnu metodu koja može da se 

upotrebljava  u  slučajevima  kada  nam  je  potrebna  brza  detekcija,  kao  npr.  u  slučaju 
havarija na nuklearnim postrojenjima. 
 

U eksperimentalnim merenjima koja su izvršena u ovom radu kao LSC detektor 

korišćen  je  Quantulus  1220

TM

.  On  je  niskofonski  detektor  koji  nam  omogućava 

ispitivanja veoma niskih nivoa radioaktivnosti (veštačkih, kosmičkih i drugih prirodnih 

radionuklida).  Zbog  toga  što  je  sam  detektor  konstruisan  od  niskoaktivnih  materijala 
omogućena su datiranja izotopom 

14

C, kao i precizna merenja niskih radioaktivnosti u 

okolini  [1],  što  je  upravo  i  glavni  razlog  korišćenja  ovog  detektora  za  merenje  niskih 

nivoa aktivnosti 

14

C i u vodi.  Kako je ovaj izotop čist beta emiter, u ovom radu smo dali i 

objašnjenje beta čestica, njihovog raspada, kao i energetskog spektra. Takođe smo dali i 

opštu sliku o nivou aktivnosti izotopa 

14

C prisutnom u prirodi, što nam govori i koje su 

moguće metode njegovog monitoringa i upotrebe. 
 

Princip  detekcije  zračenja  kod  LSC  detektora  bazira  se  na  pojavi  fluorescentne 

emisije  u  rastvorima  organskih  jedinjenja  prilikom  izlaganja  nuklearnoj  radijaciji, 
prilikom  čega  dolazi  do  rezonantnog  energetskog  transfera  od  pobuđenih  molekula 
rastvarača do rastvorenih molekula koji emituju fluorescentnu svetlost. Fluorescentnu 

svetlost,  koja  je  posledica  deekscitacije  organskih  molekula,  moguće  je  konvertovati 
fotomultiplikatorskim cevima u električne impulse, koji se zatim vode do programa za 

obradu signala [1]. 
 

Metoda  tečne  scintilacione  spektroskopije  je  veoma  pogodna  prilikom  analize 

voda  zbog  direktnog  kombinovanja  uzorka  sa  tečnim  scintilacionim  koktelom,  zbog 

manje zahtevne pripreme uzorka i veće efikasnosti brojanja [1]. Upravo zbog ovoga, u 
ovom  radu  je  izvršena  optimizacija  direktne  LSC  metode  za  detekciju 

14

C  u  vodi,  koja 

može  da  nam  služi  za  redovni  monitoring  podzemnih  i  otpadnih  voda  iz  nuklearnih 
elektrana na izotop 

14

C, ali pre svega, u slučaju bilo kakvih nuklearnih katastrofa imamo 

metodu  kojom  je  moguće  na  brz,  efikasan  i  jednostavan  način  odrediti  nivoe  zračenja 

kojim  su  kontaminirane  vode  u  životnoj  sredini.  Opisan  je  način  pripreme  uzoraka, 
predstavljeni su uopšteni postupci optimizacije sistema, kao i relevantni parametri koje 
smo posmatrali, a zatim su dati podaci merenja i tumačenja dobijenih rezultata. 

4 

1.

Radioaktivni ugljenik, 

14

C 

1.1

14

C u prirodi i osnovne karakteristike 

Izotopi su atomi istog elementa koji imaju jednak broj protona, a različit broj neutrona. 
Ugljenik je jedan od prvih otkrivenih hemijskih elemenata u prirodi i može da se nađe u 

obliku tri izotopa 

12

C, 

13

C i 

14

C. Najzastupljeniji izotop ugljenika u prirodi je 

12

C i njega 

čini šest protona i šest neutrona. Drugi, teži izotop ugljenika je 

13

C i on ima šest protona 

i sedam neutrona. Oba izotopa, 

12

C i 

13

C, su stabilni izotopi, što znači da ne doživljavaju 

spontanu transformaciju u neki drugi ugljenikov izotop ili neki drugi element. Odnosno, 
jezgra ova dva izotopa nisu radioaktivna. S druge strane, ugljenikov izotop 

14

C, koji se 

drugačije naziva i radiokarbon, ima šest protona i osam neutrona i jeste radioaktivan, te 

stoga predstavlja predmet izučavanja nuklearne fizike [3]. 
 

Pojava izotopa 

14

C u prirodi je prvi put primećena 1946. godine. Ovaj izotop se u 

prirodi obrazuje u gornjim delovima atmosfere, putem nuklearne reakcije [4]: 

?

7

14

+ ?  →

?

6

14

+ ?

(1.1) 

?

7

14

  –  stabilni  izotop  azota, 

?

  –  termalni  neutron, 

?

6

14

  –  radioaktivni  ugljenik  koji 

dobijamo kao produkt reakcije, 

?

 – proton, koji je takođe produkt reakcije. 

Termalni neutroni koji su nam neophodni za odvijanje ove nuklearne reakcije se 

stvaraju  putem  interakcije  visoko  energetskog  kosmičkog  zračenja  sa  molekulima  u 

gornjim  slojevima  atmosfere.  Nakon  što  su  stvoreni  termalni  neutroni  oni  reaguju  sa 
atomima azota koji se prirodno nalaze u atmosferi i kao produkt reakcije dobijamo 

14

C. 

Kako  se  ova  reakcija  dešava  u  prirodi,  dobijeni 

14

C  vrlo  brzo  oksidiše  prilikom  čega 

dolazi do stvaranja 

14

CO

2

, koji se meša sa CO

2

, ugljen-dioksidom koji nije radioaktivne 

prirode.  Ovo  znači  da  svi  živi  organizmi,  biljke  i  životinje,  sadrže  u  sebi  radioaktivni 

ugljenik  u  otprilike  istoj  količini  u  kojoj  se  on  nalazi  i  u  vazduhu  [4].  S  tim  da  treba 
napomenuti da su ovo veoma male koncentracije, s obzirom da otprilike  99% ugljenika 
u prirodi čini 

12

C, a skoro 1% čini 

13

C [3]. 

Slika 1.1: 

Poreklo i distribucija 

14

C u prirodi [4] 

6 

Jedan od osnovnih načina na koji beta čestice gube energiju je putem jonizacije

2

. 

Beta  čestice  imaju  identičnu  masu  kao  i  orbitalni  elektroni  sa  kojima  interaguju.  To 
znači da beta čestice ne zadržavaju stalni pravac kretanja, nego bivaju skrenute. Iz tog 

razloga  putanja  beta  čestica  je  izlomljena  linija  i  njihov  domet  se  znatno  razlikuje  od 
dužine traga, odnosno pređenog puta čestice[6]. Domet im je obično 

10 ??

 u vazduhu, u 

zavisnosti  od  energije  koju  poseduju,  ili  nekoliko  milimetara  u  materijalima  većeg 

rednog broja, npr. aluminijum [7]. 

Dve vrste beta čestica, pozitroni i elektroni, gotovo na identičan način reaguju sa 

materijom.  Jedina  značajna  razlika  se  sastoji  u  tome  da  kada  elektroni  gube  svoju 

kompletnu  energiju  bivaju  zahvaćeni  od  strane  nekog  atoma  i  pretvore  se  u  običan 
orbitalni elektron, dok pozitroni kada izgube energiju, doživljavaju anihilaciju sa jednim 

elektronom. Tom  prilikom obe  čestice  nestaju,  uz  stvaranje  dva  gama  kvanta  zračenja 
od 511 keV, koji se razilaze pod uglom od 180° [6]. 

1.2.1

 Beta raspad 

Beta raspad je proces koji ima za posledicu emisiju beta čestica i ovo je ujedno i najčešći 
oblik  spontane  transformacije  jezgra.  Najveći  broj  jezgara  koji  se  nalaze  na  proton-
neutronskoj šemi doživljava beta raspad, nezavisno od toga da li su u pitanju teška ili 

laka jezgra.  
 

Slika 1.3: Proton-neutronska šema stabilnosti 

[8] 

?

 – broj neutrona u jezgru 

?

 – broj protona u jezgru 

Jezgra  iz  oblasti  koja  se  nalazi  ispod  linije  stabilnosti  se  raspadaju  emitujući 

negativnu  beta  česticu,  dok  jezgra  iznad  linije stabilnosti  emituju  pozitrone  (pozitivne 
beta čestice) ili dostižu stabilno stanje zahvatom orbitalnog elektrona. Neka teža jezgra, 

iznad linije stabilnosti, mogu doživljavati alfa raspad [6]. 
                                                        

2

 Radijacioni gubici su ovde zanemarljivi [6].