Moguća upotreba karakterističnog
rendgenskog zračenja u fotoaktivacionoj
analizi
- diplomski rad -
Mentor: prof. dr Miodrag Krmar Kandidat: Brankica AnĎelić
Novi Sad, 2014
.
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
Moguća upotreba karakterističnog rendgenskog zračenja u fotoaktivacionoj analizi
Diplomski rad
1
Ovom prilikom želim da se zahvalim svom mentoru, prof. dr Miodragu Krmaru, na
predloženoj temi i pomoći tokom izrade diplomskog rada. Za pomoć u eksperimentalnom delu
kao i prilikom obrade podataka zahvalnost dugujem Janu Hansmanu.
Prijateljici i koleginici Agoti Kosoruš se zahvaljujem na saradnji, u nadi da će se ta saradnja
nastaviti i u budućnosti.
Ipak, bez podrške najbližih ovaj rad ne bi bio ostvarljiv. Zato se najiskrenije zahvaljujem
svojoj porodici, prijateljicama i Veliboru.
Moguća upotreba karakterističnog rendgenskog zračenja u fotoaktivacionoj analizi
Diplomski rad
3
2
UVOD
Aktivaciona analiza je jedna od metoda sa kojom može da se vrši kvalitativna i kvantitativna
hemijska analiza elementarnih sastojaka uzorka. Pod pojmom aktivacije se podrazumeva
nukelarna reakcija koja kao produkt ostavlja radioaktivno jezgro pa se detekcijom zračenja
koje ono emituje (najčešće gama zračenja) dobijaju potrebne informacije. Osnovna odlika
metode je da se ona bazira na principu aktivacije jezgara atoma koji su prisutni u uzorku.
Postoje različite tehnike pomoću kojih se može izvršiti aktivacija. Neke od njih su neutronska
aktivacija, fotoaktivacija, aktivacija naelektrisanim česticama i druge. Pošto sama aktivacija
ne dovodi do narušavanja strukture jezgra može da se zaključi da je aktivaciona analiza
potpuno nedestruktivan metod pomoću kog može da se odreĎuje koncentracija elemenata u
nekom uzorku.
U ovom radu je razmotrena jedna od metoda aktivacije – fotoaktivacija. Aktivaciju u ovom
slučaju izaziva foton. Da bi se mogla vršiti analiza potrebno je prvo da se sa fotonima aktivira
uzorak, a potom sledi merenje.
Za merenja su potrebni pouzdani detektori kao što je na primer germanijumski detektor koji
ima vrlo dobru energetsku rezoluciju. Nedostatak ovog detektora je što je velik, zahteva
posebno hlaĎene sa tečnim azotom, a uz to su i dosta skupi. Ovaj problem bi mogao da se
prevaziĎe sa detektorima novije generacije. To su poluprovodnički CdTe detektori koji su
dosta mali, jeftini i jednostavni za rukovanje. Kod njih se hlaĎenje ostvaruje preko Peltijeovog
efekta. MeĎutim, nedostatak ovih detektora je slaba efikasnost na visokim energijama, što
znači da je on pogodan samo za detekciju x-zračenja.
Zadatak ovog rada je da se ispita mogućnost dobijanja istih rezultata analiziranjem
karakterističnog rendgenskog zračenja kao i u slučaju analiziranja gama zračenja u
fotoaktivacionoj analizi. Ukoliko bi ovo dalo pozitivne rezultate, to bi značilo da se
analiziranjem karakterističnog rendgenskog zračenja može doći do svih potrebnih informacija
o uzorku kao i u slučaju standardne aktivacije. Za merenje bi mogao da posluži i CdTe
detektor jer se sada radi o niskim energijama na kojima on ima dobru efikasnost. Ovo bi
svakako doprinelo lakšoj realizaciji eksperimenata i u laboratorijama gde ne postoji
mogućnost korištenja germanijumskog detektora.
Fotoaktivacija je dobar izbor jer nakon što jezgro doživi aktivaciju od strane fotona, ono će da
izgubi najčešće neutron i nastaje novo jezgro koje je nestabilno. Ovo jezgro je neutron
deficitarno i može da se raspadne preko elektronskog zahvata. Elektronski zahvat je uvek
propraćen emisijom x-zračenja, što je i potrebno za ovu metodu.
U ovom radu je po prvi put uporeĎena fotoaktivaciona analiza pomoću gama zračenja i x-
zračenja. Cilj rada je bio da se dobiju rezultati i uporede, kako bi se razmotrila mogućnost
primene.
Moguća upotreba karakterističnog rendgenskog zračenja u fotoaktivacionoj analizi
Diplomski rad
4
3
FOTOAKTIVACIJA
Fotoaktivaciona analiza je jedna od nuklearnih aktivacionih tehnika koja se koristi pri
merenju velikog broja elemenata. Prvi put počela je da se primenjuje krajem prve polovine
dvadesetog veka. Sa razvojem nuklearnih reaktora u kojima postoji visok fluks neutrona, više
se pažnje posvetilo neutronskoj aktivacionoj analizi pa je fotonuklearna analiza bila
zapostavljena sve dok se nije pojavio problem analize kiseonika neutronskom aktivacijom.
Mogućnost korištenja elektrona ubrzanih akceleratorom je ovde dala pozitivne rezultate. Ova
metoda se dosta razvijala šezdesetih godina, a korišteni su fotoni različitih energija, od
1.33MeV pa do 70MeV. Uprkos tome što je metoda dala dobre rezultate u različite analitičke
svrhe, druge metode su u prednosti pri analizi, posebno neutronska aktivacija. Razlog tome je
mali efikasni presek za fotonuklearne reakcije, pa samim tim i slabija aktivacija. MeĎutim,
postoje jasne situacije gde se vidi prednost fotoaktivacione analize u odnosu na neutronsku
aktivacionu analizu. Neki od razloga zbog kojih se koristi fotoaktivacija su sledeći:
kada imamo uzorak koji sadrži elemente kao što su kiseonik, ugljenik, azot ili fluor.
Oni ne mogu da se analiziraju neutronskom aktivacijom zbog toga što produkti
neutronskih reakcija imaju nepogodne nuklearne parametre.
kada uzorak sadrži znatnu količinu elemenata sa velikim efikasnim presekom za
zahvat termalnih neutrona (bor i kadmijum) pa dolazi do atenuacije fluksa neutrona u
uzorku (samoapsorpcija).
kada uzorak sadrži različite elemente koji su aktivirani fluksom neutrona da bi
proizvodili radionuklide sa gama linijama koje su identične ili se preklapaju. Tada
postaje teško ili čak nemoguće analiziranje uzorka bez hemijskog odvajanja, pa se radi
fotoaktivacija umesto neutronske aktivacije.
kada uzorak sadrži dosta elemenata sa velikom vrednošću za efikasni presek
?, ?
reakcije. Uzorak tada postaje jako radioaktivan pa je u tom slučaju opet
fotoaktivaciona analiza pogodnija.
Da bi se vršili eksperimenti u oblasti fotoaktivacione analize potrebno jd obezvediti neke
osnovne elemente, a to su:
visokoenergetski izvor fotona
držač uzorka
sistem za pomeranje uzorka iz polja u kom postoji zračenje do detektora
detektorski sistem
Sada ćemo posebno da razmotrimo kako se dobijaju fotoni, oblik njihovg spektra kao i uslove
u kojima mora da se nalazi uzorak.
Moguća upotreba karakterističnog rendgenskog zračenja u fotoaktivacionoj analizi
Diplomski rad
6
3.3
Držač uzorka
Da bi fluks fotona koji dospevaju do uzorka bio maksimalan, potrebno je uzorak postaviti što
je moguće bliže meti. MeĎutim, potrebno je uzeti u obzir da neki od elektrona mogu da proĎu
kroz metu i stignu do uzorka. TakoĎe, moguće je da se desi neuniformna aktivacija uzorka
zbog značajnog transverzalnog i longitudinalnog gradijenta fluksa fotona u blizini mete.
Prvi problem je rešen korištenjem tankog materijala koji se stavlja posle mete kako bi
apsorbovao sve elektrone iz snopa. Drugi problem se rešava korištenjem malog tankog uzorka
kako bi se efekti gradijenta fluksa sveli na minimum. Druga opcija je rotiranje uzorka u snopu
kako bi svi delovi uzorka bili izloženi zračenju pod identičnim uslovima.
3.4
Neke moguće primene fotoaktivacije
Fotoaktivacija se primenjuje u mnogim oblastima nauke i tehnologije za analizu elemenata.
Naki primeri primene su analiza sadržaja proteina u povrću i žitaricama, kontinualan
monitoring prisustva selena u hrani za životnije. Zatim tu su i elementarna merenja zemljišta,
atmosferske prašine, stena, fisionih elemenata sadržanih u nuklearnom gorivu, lakih
elemenata u metalima visoke čistoće i u poluprovodnicima, kao i analiza širokog spektra
uzoraka biološkog porekla koja uključuju tkiva i tečnosti.
