Neutronaktivering

Neutronkällan

Vi har en Leybold radium-beryllium neutronkälla för användning i undervisningen. Källan innehåller 3 mg radium. Den har alltså en aktivitet på 3 mCi. Hur mycket är det i SI-enheter?

Radiumets sönderfall ger alfa-partiklar med mellan 5 och 8 MeV kinetisk energi. Det är tillräckligt för att kunna nå Be (Z=4) kärnan. Alfa-partiklen ger då upphov till reaktionen

                 4He + 9Be -> 12C +  n

där neutronen har hög kinetisk energi (kring 5 MeV). Det var med denna reaktion som Chadwick år 1932 upptäckte neutronen. I en bra Ra-Be blandning får man ungefär 107 neutroner per sekund för varje Ci radium.
Förberedelseuppgift: Hur stort flöde kan förväntas på 7 cm avstånd från vår källa?

Side view
Top view

Neutronerna kommer lätt igenom blyskärmningen som absorberar radiumets gammastrålning. Runt omkring blyskärmen finns ett paraffinblock som moderator. Där förlorar neutronerna sin kinetiska energi genom många kollisioner med väteatomer tills energin kom ner till moderatorns temperatur. Då har neutronerna en kinetisk energi kring 25 meV.

Utförande

1. Bestämning av flödet av termiska neutroner

Vi använder indium, som består av två isotoper In-113 och In-115. Om den fångar in en neutron, uppstår olika produkter:
källa

Eftersom naturligt indium till 95,7% består av 115In, är det den enda som vi räknar med. Turner (Atoms, radiation, and radiation protection) uppger en träffyta för isomeren på 157 b. Värdet kommer antagligen från Menlove et al, Phys. Rev. 163, 1299 (1967).

Det modernare värdet är 162,3 ± 0,7 barn för den totale strålande träffytan. Det finns också ett problem med resonansen vid 1,41 eV, se denna graf.

Båda In-116 och dess isomer förvandlar till Sn-116 genom beta-sönderfall. Men medan grundtillståndet av indium därmed övergår till grundtillståndet av tenn, ger isomererna upphov till exciterade tillstånd, som vi kan detektera i vår GDM15 eller GDM20 gammaspektrometer.

Vi kan inte mäta provet tillräckligt snabbt för att mäta en isotop med en livstid på 2,18 s. Men eftersom den alltid övergår till isomeren med livstid på 54 minuter, mäter vi dess bidrag till den strålande träffytan. Den som vi kan detektera är 116mIn genom beta-sönderfall till 116Sn. Kolla att de starkasta linjerna i tabellen stämmer med nivåskemat.

En burk med indium placeras i neutronkällan i kanal nr 3 eller 4, som båda har 7 cm avstånd till källan. Beräkna först lämplig aktiveringstid. Under tiden som indiumet bestrålas kan detektorn effektivitetskalibreras. Detta görs på vanligt sätt med ett känt Eu-152-preparat, se Användarhandbok för GDM15 och beskrivning av Autodas. Mät även bakgrundspektrum. Spara alla data. Bestäm aktiviteten från det bestrålade indiumet (notera först anvisningen i uppg. 2). Subtrahera bakgrunden. Bestäm med hjälp av sönderfallsschema de tre aktivaste gamma-energierna och deras relativa aktivitet. Gör tre olika aktivitetsbestämningar för indiumet vid dessa gammaenergier. Därefter kan neutronflödet i den aktuella kanalen beräknas som ett medelvärde. Diskutera ev felkällor och mätnoggrannhet.

2. Bestämning av halveringstiden för 116mIn

I samband med aktivitetsbestämningen av indiumet kan vi samtidigt bestämma halveringstiden för 116mIn. Genom att studera hur aktiviteten successivt sjunker i olika tidsintervall kan vi bestämma halveringstiden. I datorprogrammet till detektorn ger kommando SER möjlighet att automatiskt dela upp registreringen i olika tidsintervall. Registreringar i olika tidsintervall placeras då i olika filer (summera dessa filer till en fil i uppgift 1). Aktiviteten i de olika intervallen kan i efterhand bestämmas genom att läsa in de olika filerna.

Samtidigt kan man använda programmets multi-channel scaling mode i SPE 10. Den startas med kommandot MSTA. Ställ övre och undre gräns så att hela indium-signalen kommer med. Subtrahera bakgrunden. Vi kan använda oss av den totala aktiviteten över alla gammaenergier. Välj ett lämpligt tidsintervall. För att uppnå god statistik bör mättiden vara åtminstone i samma storleksordning som halveringstiden. Rita logaritmen av aktiviteten i ett diagram och bestäm halveringstiden.

3. Bestämning av träffytan för kadmium

Genom att vi nu vet neutronflödet (i den kanal i neutronkällan som vi använt) kan vi genom att aktivera andra ämnen bestämma träffytan för neutronreaktioner för dessa. Naturligt kadmium består till 12.3% av isotopen 113Cd (antal) och denna har en mycket stor träffyta för termiska neutroner: n + 113Cd -> 114Cd. Genom att placera en burk med indium inuti en kapsel av kadmium och sedan placera kapseln i neutronkällan kan vi jämföra aktiviteten hos denna indiumburk med den förra. Skillnaden mellan de bägge aktivitetsgraderna kan användas för att beräkna träffytan för kadmium. Kadmiumet absorberar alltså en del av neutronerna som därför inte når fram till indiumburken och alltså får vi en mindre aktivitet hos det exponerade indiumet.

Placera den nya indiumburken med sin kadmiumkapsel på samma plats i neutronkällan när ni plockar upp den första. Låt exponeringstiden vara lika lång som för den första. Plocka sedan upp indiumburken och mät aktiviteten. Beräkna sedan träffytan för kadmium.

4. Andra grundämnen

Jod är också ett grundämne där nukliden 127I har rimlig träffyta för neutron capture och där produkten 128I har med en lämplig halverings tid efter neutronaktivering.

Man kan se i Physics Handbook vilka nuklider har stor träffyta, om produkten är en gamma-emitter och om produkten har lämplig halveringstid. Det är sådana faktorer som bestämmer hur lätt det är att se grundämnet med neutronaktiveringsanalys. Här finns en tabell med detektionslimiter i en kärnreaktor, där neutronflödet är förstås många tiopotenser större än vad vi har. Jag har provar med dysprosium, mangan, osv om någon har kommit fram till att det är värt ett försök med vår källa med endast termiska neutroner.

Länkar