1 Clasificarea si producerea radiatiilor nucleare 1.1 Caracteristici

Click here to load reader

  • date post

    30-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    231
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of 1 Clasificarea si producerea radiatiilor nucleare 1.1 Caracteristici

  • 1

    Clasificarea si producerearadiatiilor nucleare

    1.1 Caracteristici ale radiatiilor nucle-

    are

    Radiatiile nucleare utilizate n experimentele de fizica nucleara austructura electromagnetica sau corpusculara. In grupa radiatiilorelectromagnetice intra razele X si n timp ce emisiile corpuscu-lare includ particulele alfa, , +, electronii de conversie, elec-tronii Auger, neutronii, protonii si fragmentele de fisiune. Celemai multe dintre aceste radiatii si au originea n nucleu dar uneleprovin si din nvelisul atomic. Tabelul 1.1 prezinta proprietatilecelor mai utilizate rdiatii folosite in laborator. Fiecare tip deradiatie este caracterizat de un spectru energetic care depinde deprocesul atomic sau nuclear implicat n producere. O anumitasursa de radiatii poate emite mai multe radiatii diferite ntre ele.Spre exemplu emisiile si sunt nsotite aproape ntotdeauna deemisia cuantelor gamma si electroni. Fisiunea nucleara este ceamai complexa sursa de radiatii, producand ntr-un singur act dedezintegrare practic toate tipurile de radiatii cunoscute.

    1

  • Table 1.1: Cele mai utilizate radiatii atomice si nucleare

    Tipul Origine Procesul Sarcina Masa Spectrulradiatiei de generare electrica [MeV] energetic Nucleu Dezintegrare +2 3727 Discret

    sau reactie [MeV] Nucleu Dezintegrare -1 0.511 Continua

    nucleara [keV-MeV]+ Nucleu Dezintegrare +1 0.511 Continua

    nucleara [keV-MeV] Nucleu Dezexcitare 0 0 Discreta

    nucleara [keV-MeV]raze X Invelis Dezexcitare 0 0 Discreta

    electronic atomica [eV - keV]e de Invelis Dezexcitare -1 0.511 Discretaconversie electronic nucleara [keV]e Invelis Dezexcitare -1 0.511 DiscretaAuger electronic atomica [eV-keV]Neutroni Nucleu Reactii 0 939.6 Continuu sau

    nucleare discret[keV-MeV]

    Fragmente Nucleu Fisiune +20 80-160u Continuude fisiune 30-150 MeV

  • Procesele fizice prin care se emit radiatii prin dezintegrarea ra-dioizotopilor au fost prezentate pe scurt n Capitolul 2. In con-tinuare ne vom referi la sursele radioactive cele mai folosite nlaborator, relevand unele aspecte de utilizare specifice fiecareia.

    1.2.1 Surse de particule

    Emisia de particule poate fi nteleasa ca un proces de tunelareprintr-o bariera de potential. Deoarece probabilitatea de trans-misie a barierei creste cu energia, rezulta ca sursele ce emit radiatiimai energetice au timp de viata mai scurt. Sursele uzuale emitradiatii alfa cu energii n domeniul 2 6 MeV. Sursele ce emitradiatii cu energii peste 6.5 MeV au perioade de njumatatirede ordinul zilelor, fiind de utilitate redusa n laborator. Surselece emit radiatii cu energii mai mici de 3 MeV au perioada denjumatatire foarte lunga si deci activitate redusa, fiind de aseme-nea lipsite de interes special. Cea mai utilizata sursa de particule (utilizata n calibrarea energetica a detectorilor de particule cucorp solid) este 241Am. Ea emite doua grupe de radiatii cu en-ergiile de 5.443 MeV si 5.486 MeV, avand perioada de njumatatireT1/2 = 433 zile.

    Deoarece particulele pierd foarte rapid energia atunci candpatrund n materia condensata, sursele alfa monoenergetice tre-buie preparate sub forma unor straturi foarte subtiri. Pentrua preveni dispersarea materialului radioactiv, aceste surse suntacoperite cu straturi foarte subtiri din diverse metale. Acestestraturi trebuie sa fie de asemenea foarte subtiri pentru a evitadegradarea energetica a radiatiilor primare. In Tabelul 1.2.1 seprezinta caracteristicile unora dintre cele mai utilizate surse decalibrare. Protectia biologica si ecranarea surselor sunt usor derealizat din metale sau chiar plastice datorita parcursului redusal radiatiilor alfa n materie (vezi Capitolul 5).

    1.2.2 Surse izotopice de electroni

    Surse de radiatii betaDeoarece aproape toti radionuclizii produsi

  • Table 1.2: Surse de radiatii alfa utilizate n laborator

    Izotop T1/2 E[MeV] Intensitate (%)241Am 433 zile 5.486 85

    5.443 12.8210Po 138 zile 5.305 100242Cm 163 zile 6.113 74

    6.070 26

    prin reactiile nucleare sunt beta activi, este foarte usor sa se pro-duca o larga varietate de surse de radiatii . In particular, sursefoarte intense se pot obtine prin iradierea unor probe formate dinnuclee stabile n reactorii nucleari unde sunt disponibile fluxuri deneutroni de 1010 1014 neutroni/(cm2s). Specii nucleare beta ra-dioactive cu timpi de njumatatire situati ntr-un domeniu foartelarg ( de la microsecunde la mii de ani) pot fi obtinute relativusor. Cele mai multe dezintegrari beta populeaza stari excitaten nucleele reziduale, stari care se pot dezexcita prin emisia deradiatii gamma. Exista un numar foarte restrans de surse betapure care sa emita doar radiatii beta. Acestea sunt prezentaten Tabelul 1.2.2

    Multe dintre sursele emit mai multe grupuri de radiatii,fiecare populand o alta stare n nucleul rezidual. Fiecare dinaceste grupuri are energia sa maxima a spectrului beta, core-spunzand diferentei energetice ntre starile initiala si finala. Spec-trul total al sursei este constituit din superpozitia acestor grupuri,ponderate cu probabilitatile lor de dezintegrare (factorii de ramificatie).Deoarece electronii si pierd relativ usor energia n materie, esteimportant ca aceste surse sa fie subtiri pentru a permite radiatiilorbeta sa aiba o pierdere minima de energie. Aceasta constrangereeste importanta n mod particular pentru sursele de pozitronideoarece acestia se pot anihila n materialul sursei propriu-ziseproducand un fond foarte puternic de fotoni de anihilare ( cu en-ergia de 511 keV).

  • Table 1.3: Surse de radiatii beta pure

    Nucleu T1/2 Emax [ MeV]

    3H 12.26 ani 0.018614C 5730 ani 0.15632P 14.28 zile 1.71033P 24.4 zile 0.24835S 87.9 zile 0.16736Cl 3.1 105 ani 0.71445Ca 165 zile 0.25263Ni 92 ani 0.06790Sr/90Y 27.7 ani/64 ore 0.546/2.27999Tc 2.1 105ani 0.292147Pm 2.62 ani 0.224204Tl 3.81 ani 0.766

    Surse de electroni de conversie interna Energia continuaa spectrului radiatiilor beta produse de sursele beta nu este con-venabila pentru calibrarea n energie a detectorilor. In general,o sursa utila pentru operatia de calibrare trebuie sa emita unspectru de linii. Fenomenul de conversie interna descris in Capi-tolul 2 constituie o sursa de electroni monoenergetici. In Tabelul1.2.2 sunt prezentate caracteristicile celor mai comune surse decalibrare care emit electroni de conversie. Prin notatia CIntelegem conversie interna. Electronii Auger. Ca si elec-tronii emisi n procesul de conversie interna, si electronii Augerau un spectru discret de energie. In toate cazurile, energia lor estemica n comparatie cu energia radiatiilor beta sau a electronilorproveniti din conversia interna. Aceasta se datoreaza faptului caemisia Auger este favorizata n elementele cu Z mic pentru careenergia de legatura a electronilor este mica. Energia electronilorAuger (tipic de cativa keV) este puternic absorbita n materialulsursei sau n fereastra de intrare a detectorilor. Din acest motiv,utilizarea acestor surse de radiatii electronice monoenergtice este

  • Table 1.4: Surse de electroni de conversie

    Nucleu T1/2 Mod de Nucleul Energia Energiaparinte dezintegrare fiica tranzitiei(keV) electronilor109Cd 453 zile CI 109mAg 88 62

    84113Sn 115 zile CI 113mIn 393 365

    389137Cs 30.2 ani 137mBa 662 624

    656139Ce 137 zile CI 139mLa 166 126

    159207Bi 38 ani CI 207mPb 570 482

    5541064 976

    1048

    foarte limitata.

  • Surse izotopice de radiatii gamma. Radiatia gamma esteemisa de radioizotopi atunci cand are loc dezexcitarea starilornucleare pe stari din acelasi nucleu. In cele mai utilizate sursede laborator starile excitate sunt produse prin dezintegrarea beta(mai rar si alfa) a unui nucleu parinte. In cazul surselor de cali-brare gamma utilizate n practica de laborator dezintegrarea betaeste un proces lent cu perioada de dezintegrare de ordinul catorvaani, iar starile excitate din nucleele fiica se dezintegreaza gammacu perioada foarte scurta - de ordinul picosecundelor. Asadarrazele gamma apar a fi emise cu timpul de njumatatire al nucle-ului parinte (lung!) dar cu energiile egale cu diferenta energeticantre starile nucleului fiica. Spre exemplu, desi se utilizeaza nmod curent denumirea de sursa de calibrare gamma de 60Coenergiile radiatiilor gamma corespund tranzitiilor ntre starile nu-cleeului fiica 60Ni dar perioada de njumatatire este de T1/2 = 5.26ani, caracteristica nucleului 60Co care se dezintegreaza beta.

    Datorita faptului ca starile nucleare au energii bine definite(pana la largimea lor naturala), razele gamma emise au energiispecifice unui anumit radioizotop. In Tabelul 1.2.3 sunt prezen-tate energiile radiatiilor gamma specifice surselor de radiatii co-mune laboratoarelor de fizica nucleara. Aceste surse au energiileradiatiilor gamma mai mici decat 2.8 MeV. Face exceptie izotopul56Co care emite fotoni gamma cu energii pana la 3.55 MeV. Pe-rioada sa de njumatatire relativ scurta (T1/2 = 77 zile) l facede utilitate practica limitata. El este produs la accelerator prinreactia nucleara 56Fe(p,n). Sursele de laborator folosite n cali-brarea detectorilor de radiatii au n general activitati de ordinula 1-5 Ci, materialul radioactiv fiind ncapsulat n discuri deplastic pentru a preveni mprastierea materialului radioactiv nmediu.

    O alta sursa de fotoni cu energie ridicata este procesul de ani-hilare a pozitronului. Daca o sursa radioactiva + cum este 22Naeste nconjurata de material absorbant, pozitronii se vor anihilan timp ce l parcurg si vor da nastere la fotoni cu energia de 511keV care sunt emsi pe directii diametral opuse.

    In laboratoarele de studii nucleare la energii joase sursa de

  • este 152Eu. Ea are multe linii de calibrare intense, prima cu en-ergia de 121.1 keV si ultima cu energia de 1408.0 keV. Liniile decalibrare emise de aceasta sursa au intensitati bine determinate,ceea ce permite calibr