ΜΕΤΡΗΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1

2 ΑΠΟΛΥΤΕΣ ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Μέτρηση της ραδιενέργειας : Α) διαφορετικές μέθοδοι και Β) σε απόλυτες ή σε σχετικές τιμές Απόλυτη μέτρηση : προσδιορισμός του αριθμού των πυρήνων που διασπώνται ανά μονάδα χρόνου ή με το ρυθμό μεταστοιχείωσης ραδιενεργού νουκλιδίου στη μονάδα χρόνου Μονάδες : διασπάσεις ανά μονάδα χρόνου σε Becquerel (Bq) που αποτελεί θεμελιώδη μονάδα και αντιστοιχεί σε μία διάσπαση πυρήνα ανά s (1 Bq = 1dps) Σχετική μέτρηση (αναγράφεται από τον μετρητή): μετρά ένα μόνο ποσοστό από το πραγματικό αριθμό διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου του ραδιενεργού δείγματος, ανάλογα με την αρχή λειτουργίας του οργάνου και τις προδιαγραφές αυτού (κρούσεις ανά μονάδα χρόνου, όπως κρούσεις ανά min ή sec (cpm ή cps)) Μετατροπή των κρούσεων σε αριθμό διασπώμενων πυρήνων με τη βοήθεια πρότυπων ραδιονουκλιδίων με γνωστή απόλυτη ραδιενέργεια Προσδιορισμός απόδοσης του οργάνου μέτρησης 2

3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (1) Ακτινοβολούμενη ενέργεια : ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες γ, Χ), σωματιδιακής μορφής (σωματίδια α και β, μη φορτισμένα σωματίδια κ.λπ.) ή οποιοσδήποτε συνδυασμός αυτών Ανίχνευση : αλληλεπίδραση με την ύλη Πρόκληση ιονισμού σε αέρια δημιουργία αγωγιμότητας Αλληλεπιδράσεις ακτινοβολιών με στερεά : πολύπλοκη Εκπομπή φωτός από κρυστάλλους : άμεσος ή έμμεσος προσδιορισμός Άλατα αλογόνων, Ημιαγωγοί Η επιλογή του τύπου του οργάνου για μέτρηση : τον τύπο και την ενέργεια της ακτινοβολίας που πρόκειται να ανιχνευτεί, καθώς και κατά πόσο ενδιαφέρει να προσδιοριστεί ο αριθμός των διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου ή η συνολική ένταση της ακτινοβολίας δείγματος. 3

4 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (2) Για κάθε τύπο ραδιενέργειας απαιτείται διαφορετικός ανιχνευτής και οι πλέον αντιπροσωπευτικοί τύποι μετρητών χωρίζονται στις παρακάτω ομάδες: Α) Οπτικές μέθοδοι παρατήρησης σωματιδίων Β) Ανιχνευτές ιοντισμού αερίου Γ) Σπινθηροβολία Δ) Αυτοραδιογραφία 4

5 ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (1) Θάλαμοι νέφωσης, Θάλαμοι ομίχλης, Θάλαμοι εκτόνωσης ή Θάλαμοι Wilson Οπτική παρατήρηση των τροχιών ιόντων υπό μορφή λεπτότατων σταγονιδίων που σχηματίζονται στο μήκος διάβασης φορτισμένων σωματιδίων μέσω υπερκορεσμένης ατμόσφαιρας στο θάλαμο του ανιχνευτή Μεταλλικός θάλαμος: αέρας κορεσμένος από υδρατμούς, ατμούς αλκοόλης ή κάποιου άλλου υλικού, ανάλογα με τις προδιαγραφές κατασκευής του οργάνου Δημιουργία υπέρκορης κατάστασης με εκτόνωση Όταν στο θάλαμο διέλθει ιοντίζουσα ακτινοβολία, στη διαδρομή της σχηματίζονται ζεύγη ιόντων που χρησιμεύουν ως πυρήνες συμπύκνωσης των ατμών και για μικρό χρονικό διάστημα παρατηρούνται λευκές γραμμές σειράς σταγονιδίων, που συμπίπτουν με την τροχιά των κινούμενων σωματιδίων και μπορεί να φωτογραφηθούν. 5

6 ΟΠΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ (2) Σωματίδια α : ζεύγη ιόντων στον αέρα ανά mm μήκους διάβασης και διανύουν αποστάσεις 2-10 cm Ευθύγραμμη ισχυρή παχιά νέφωση (μεγάλη μάζα των α) Το πάχος της τροχιάς οφείλεται στο μεγάλο ειδικό ιοντισμό των σωματιδίων α Δύσκολη παρατήρηση σωματιδίων β Τοποθέτηση δείγματος μέσα ή έξω από τον ανιχνευτή ανάλογα με τις προδιαγραφές Καθαρισμός του θαλάμου από τα ιόντα με ηλεκτρικό πεδίο (μεταξύ διαδοχικών παρατηρήσεων) 6

7 ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΟΥ (1) Μέτρηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας : ικανότητα συλλογής ζευγών ιόντων στο θάλαμο του ανιχνευτή, που παράγονται μετά από αλληλεπίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας με μόρια αερίων εγκλωβισμένα σ αυτόν Οι ανιχνευτές ιοντισμού αερίων αποτελούνται από : α) υάλινος σωλήνας με μεταλλική επικάλυψη (ανοικτός από την μια πλευρά) που περιέχει εύκολα ιοντιζόμενο αδρανές αέριο, β) περιέχει δύο ηλεκτρόδια (κάθοδο και άνοδο), που είναι συνδεδεμένα με γ) εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύματος της οποίας η διαφορά δυναμικού μπορεί να μεταβληθεί κατά βούληση, μέσα σε καθορισμένα πλαίσια που ορίζονται από τον κατασκευαστή του οργάνου και δ) ευαίσθητο μετρητή ρεύματος (γαλβανόμετρο). 7

8 ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΟΥ (2) Εφαρμογή δυναμικού διαχωρίζει τα ιόντα (που δημιουργούνται από την ακτινοβολία) τα ηλεκτρόνια οδεύουν στην άνοδο, τα θετικά ιόντα στην κάθοδο. Ταχύτερη κίνηση των ηλεκτρονίων σε σύγκριση με τα θετικά ιόντα Εξάρτηση από την ταχύτητα σχηματισμού ιόντων και του εφαρμοζόμενου δυναμικού. Τα ιόντα που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια δημιουργούν αντίθετης φοράς δυναμικό που οδηγεί σε στιγμιαίες παύσεις «παλμοί», οι οποίες καταγράφονται. 8

9 ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΟΥ (3) Ι περιοχή μερικής συλλογής ιόντων, ΙΙ περιοχή κορεσμού, ΙΙΙ αναλογική περιοχή, ΙV περιοχή περιορισμένης αναλογικότητας, V περιοχή Geiger-Mueller), VI περιοχή συνεχούς αποφόρτισης 9

10 Χωρισμός της καμπύλης σε 6 περιοχές ανάλογα με τις μεταβολές στο μέγεθος παλμών ανάλογα με αντίστοιχες μεταβολές στο δυναμικό που εφαρμόζεται Αναλογική περιοχή (δευτερογενής ιονισμός): Η σχετική αύξηση στην περιοχή αυτή του φορτίου, που συλλέγεται, είναι ανάλογη του δυναμικού που εφαρμόζεται Δεύτερο οροπέδιο «περιοχή Geiger- Mueller» Αυτόματος ιοντισμός του αερίου ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΟΥ (4) Εξάρτηση της μορφής των καμπυλών στις περιοχές Ι, ΙΙ και ΙΙΙ από τον ειδικό ιοντισμό (διαφορετικός στα α και β) μείωση της εξάρτησης στην IV Δεν λειτουργεί σε όλες τις περιοχές (τεχνικοί λόγοι) διαφορετικοί τύποι οργάνων (στο σχήμα και στο μέγεθος του θαλάμου ή/και των ηλεκτροδίων, καθώς και στον τύπο ή/και την πίεση των αερίων που χρησιμοποιούν) α) απλού ιοντισμού ή κορεσμού, β) του αναλογικού και γ) του Geiger Mueller 10

11 Περιοχή Απλού Ιοντισμού ή Κορεσμού (1) Θάλαμοι Ιοντισμού Ξηρός αέρας σε ατμοσφαιρική πίεση, δυναμικό μέχρι 300 V Δημιουργία πολύ μικρής διαφοράς δυναμικού (δύσκολα μετρήσιμης) ακόμη και για σωματίδια α (ακόμη μικρότερο για σωματίδια β, φορές) Δύσκολη ανίχνευση ακτινοβολίας γ Ένα σωματίδιο α με ενέργεια 3,5 MeV δημιουργεί ζεύγη ιόντων και δυναμικό 0,8mV 11

12 Περιοχή Απλού Ιοντισμού ή Κορεσμού (2) Σχέση ύψους ηλεκτρικών παλμών και δυναμικού που εφαρμόζεται κατά την διέλευση σωματιδίων α και β από θάλαμο ιοντισμού. Οι μετρητές που λειτουργούν στην περιοχή του απλού ιοντισμού ή κορεσμού, συλλέγουν στην άνοδο τα πρωτογενή ηλεκτρόνια που σχηματίζονται στο θάλαμο κατά την αλληλεπίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας με το αέριο σε αυτόν. Επιλογή κατάλληλου δυναμικού (στο κέντρο της καμπύλης κορεσμού του οργάνου) δεν επιδρά οποιαδήποτε διακύμανση του. 12

13 Περιοχή Απλού Ιοντισμού ή Κορεσμού (3) Πλεονέκτημα : δεν απαιτούν ιδιαίτερα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα. Προσεκτική ρύθμιση στο δυναμικό: να μπορεί να συλλέγει όλα τα πρωτογενή ιόντα (δηλαδή να αποφεύγεται επανένωση μεταξύ τους), χωρίς να τα επιταχύνει σε βαθμό που να προκαλούν δευτερογενή ιοντισμό. Δύσκολη διάκριση του είδους της ακτινοβολίας. Τα όργανα αυτά συνήθως χρησιμοποιούνται για μέτρηση δόσεων και ρυθμού δόσεων, και όχι για διαχωρισμό του είδους των ιοντιζουσών ακτινοβολιών. 13

14 Περιοχή Απλού Ιοντισμού ή Κορεσμού (4) Ένα ραδιενεργό δείγμα υφίσταται συνεχείς διασπάσεις και επομένως εκπέμπει συνεχώς ακτινοβολίες που τελικά εισάγουν καταιγισμό παλμών στο εξωτερικό κύκλωμα ενός θαλάμου ιοντισμού. Καταγραφή των παλμών στον θάλαμο ιονισμού ανάλογα με τον τύπο του οργάνου : α) τα ηλεκτρόνια που συλλέγονται στην άνοδο προκαλούν πτώσεις στο εξωτερικό δυναμικό που εφαρμόζεται, και το αποτέλεσμα είναι σειρά παλμών που ενισχύονται και καταγράφονται. β) τα ηλεκτρόδια του οργάνου φορτίζονται αρχικά, και στην συνέχεια αποσυνδέονται από την πηγή φόρτισης και μετράται το ραδιενεργό δείγμα. Τα ηλεκτρόνια ιοντισμού, που προκύπτουν και συλλέγονται, ελαττώνουν την φόρτιση των ηλεκτροδίων με ρυθμό ανάλογο της ραδιενέργειας του δείγματος Η ελάττωση αυτή μετράται με ένα ηλεκτροστατικό βολτόμετρο Χρήση πρότυπων ραδιενεργών πηγών - βαθμονόμηση 14

15 Αναλογική Περιοχή (1) Αύξηση του δυναμικού δημιουργία νέων ιονισμών Στους αναλογικούς μετρητές το μέγεθος των παλμών στο συγκεκριμένο δυναμικό που λειτουργούν είναι απευθείας ανάλογο της ποσότητας της ενέργειας της ιοντίζουσας ακτινοβολίας που αρχικά αποτίθεται στην ευαίσθητη περιοχή του ανιχνευτή Βαθμός πολλαπλασιασμού : εξαρτάται από το δυναμικό που εφαρμόζεται και την πίεση του αερίου που ρέει συνεχώς στον θάλαμο ιοντισμού Οι παλμοί, που δημιουργούνται κατά την συλλογή των ζευγών ιόντων, είναι συνήθως της τάξης V, που μπορεί να μετρηθούν με μικρή ηλεκτρονική ενίσχυση Πλεονέκτημα έναντι των θαλάμων ιοντισμού, στο ότι το μέγεθος των παλμών που παράγεται είναι αρκετά μεγαλύτερο για ανίχνευση Εύκολη διάκριση της προέλευσης των παραγόμενων παλμών (διαφορετικό μέγεθος παλμών) 15

16 Αναλογική Περιοχή (2) 16

17 Αναλογική Περιοχή (3) Σχέση εφαρμοζόμενου δυναμικού και φύσης των σωματιδίων Χαμηλό δυναμικό, μεγάλος ειδικός ιοντισμός : σωματίδια α Σε μεγάλο δυναμικό μετρούνται ταυτόχρονα α και β Ακτινοβολία των β : αφαίρεση από την ολική της ακτινοβολίας των σωματιδίων α Πολύ μικρή απόδοση στην ακτινοβολία γ - δεν χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών, εκτός από ειδικές περιπτώσεις στην φασματοσκοπία των ακτινών-χ και των μαλακών ακτινών γ, για να διερευνηθεί ο τύπος της ακτινοβολίας. 17

18 Αναλογική Περιοχή (4) Βασικό διάγραμμα ενός συστήματος αναλογικού μετρητή και βασικές κλασικές ηλεκτρονικές μονάδες που συνήθως συνδυάζονται με τους ανιχνευτές για την μέτρηση και την καταγραφή της ραδιενέργειας 18

19 Περιοχή Geiger-Mueller (1) Οι ανιχνευτές G-M εργάζονται σε υψηλό δυναμικό, με το οποίο επιτυγχάνεται μεγάλη μεγέθυνση ενός φαινομένου ιοντισμού, που δημιουργείται σ αυτούς. Κατασκευαστικά παρόμοιοι με τους αναλογικούς μετρητές, πλην όμως, με ειδική τεχνολογία επιτυγχάνεται η λειτουργία τους σε υψηλότερη συγκριτικά τάση. Οι περισσότεροι G-M ανιχνευτές έχουν μεταλλική ή γυάλινη επιμεταλλωμένη κυλινδρική κάθοδο διαμέτρου περίπου 4 cm και μήκους cm - Περιγραφή του ανιχνευτή διαφοροποίηση ανάλογα με την χρήση του. Αέριο μίγμα (Ar, He, Ne) σε χαμηλή πίεση και μικρή ποσότητα αερίου αλογόνου, ατμοί αλκοόλης ή άλλα κατάλληλα αέρια απόσβεσης για την αναχαίτιση της ροής ηλεκτρονίων, που προκύπτουν κατά την ουδετεροποίηση των θετικών ιόντων στην κάθοδο. 19

20 Περιοχή Geiger-Mueller (2) 20

21 Περιοχή Geiger-Mueller (3) Χαρακτηριστική καμπύλη μετρητή G-M έναντι του εφαρμοζόμενου δυναμικού Η έκταση και η κλίση αυτής του σχεδόν οριζόντιου τμήματος αποτελεί μέτρο ποιότητας για τον ανιχνευτή G-M 21

22 Περιοχή Geiger-Mueller (4) Κάθε ιοντισμός προκαλεί ένα μετρήσιμο παλμό (σχεδόν οριζόντιο τμήμα) Κίνδυνος καταστροφής του μετρητή σε μεγάλες τιμές δυναμικού Δυναμικό λειτουργίας : 700 volts (αέριο απόσβεσης αλογόνο) μέχρι 1600 volts (αέριο απόσβεσης οργανικοί ατμοί) Δυνατότητα μέτρησης: 100% αποτελεσματικοί για σωματίδια α και β, μόνο 1% για ανίχνευση ακτινοβολίας γ Απορρόφηση από το παράθυρο του ανιχνευτή ακτινοβολιών μικρής ενέργειας Ακτίνες γ : πολύ μικρή τιμή ειδικού ιοντισμού Σχετική μέτρηση της ακτινοβολίας 22

23 Αρχή λειτουργίας του ανιχνευτή G-M Περιοχή Geiger-Mueller (5) (δευτερογενής ιονισμός - αλυσιδωτή αντίδραση - μετακίνηση e στην άνοδο σε όλη την έκταση της ( sec) μέγεθος της στοιβάδας ανάλογα τον τύπο και το αέριο αλλά ανεξάρτητη των πρωτογενών e ίδιο μέγεθος παλμών για όλες τις ακτινοβολίες) Δημιουργία παλμού ~ 1V, καταγραφή, ενίσχυση 23

24 Περιοχή Geiger-Mueller (6) Δημιουργία θετικά φορτισμένη «θωράκιση» γύρω από την άνοδο - που κινείται προς την κάθοδο για να αποθέσει το φορτίο της. Ελάττωση της ένταση του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην άνοδο με τελικό αποτέλεσμα να σταματήσει την απόθεση ηλεκτρονίων και να καταστήσει τον ανιχνευτή απαθή σε κάθε νέα σωματίδια ιοντισμού, που σχηματίζονται την περίοδο αυτή στην ευαίσθητη περιοχή (περίοδος απάθειας : ~ μsec, ή και περισσότερο ανάλογα με την κατασκευή κάθε συγκεκριμένου ανιχνευτή). Ακολούθως τα θετικά ιόντα προχωρούν προς την κάθοδο, και χρονικά αυτό κρατάει μsec, μετά την περίοδο απάθειας (περίοδος ανάκαμψης). Ο ανιχνευτής G-M αρχίζει πάλι να ανταποκρίνεται στην προσπίπτουσα ραδιενέργεια με παλμούς αυξανόμενου μεγέθους, που είναι όμως ασθενείς και κάτω από τα όρια μεγέθους που καταγράφονται από το όργανο. Το συνολικό χρονικό διάστημα κατά το οποίο δεν καταγράφονται νέοι ιοντισμοί από την ραδιενέργεια ονομάζεται περίοδος παράλυσης του ανιχνευτή. 24

25 Περιοχή Geiger-Mueller (7) Παραγωγή φωτονίων όταν τα θετικά ιόντα φθάσουν στην κάθοδο παράταση χρόνου απάθειας. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με τη χρήση αερίου απόσβεσης (ατμοί αλκοόλης), που έχει δυναμικό ιοντισμού (13,3 ev) μικρότερο από το αέριο ιοντισμού του σωλήνα (αργό 15,7 ev) Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο αέριο απόσβεσης (μεγάλη έλξη για ηλεκτρόνια) α) Εάν είναι οργανικοί αποσβέστες, π.χ. ατμοί αλκοόλης : αποφόρτιση του στην κάθοδο αλλά τα μόρια της αλκοόλης διασπώνται με χημικό διαχωρισμό και δεν ελευθερώνουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - Η μέθοδος αυτή είναι αποτελεσματική, αλλά μειονεκτεί στο ότι δίνει περιορισμένο χρόνο ζωής στο σωλήνα G-M β) Εάν χρησιμοποιηθούν ατμοί αλογόνου (Cl 2 ή Br 2 ), τότε, μετά την διάσπαση του μορίου, τα άτομα, που προκύπτουν, αντιδρούν εν νέου και σχηματίζουν πάλι το αέριο - οι σωλήνες G-M μπορούν θεωρητικά να χρησιμοποιηθούν χωρίς περιορισμό Μειονέκτημα : παρουσιάζουν διακυμάνσεις στον βαθμό κατάσβεσης στα διάφορα τμήματα του σωλήνα και αυτό περιορίζει την αποτελεσματικότητά τους για μεγάλης ακρίβειας μετρήσεις 25

26 Περιοχή Geiger-Mueller (8) Αέριο Ιονισμού Αέριο Απόσβεσης Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο το αέριο απόσβεσης για ιοντισμό, γιατί έχει μεγάλη έλξη για ηλεκτρόνια Αέριο βρίσκεται σε χαμηλή πίεση (περίπου 1/7 της ατμοσφαιρικής), χαμηλό δυναμικό λειτουργίας του ανιχνευτή Συχνός έλεγχος καλής λειτουργίας Χρήση με κάποιους περιορισμούς, για ανίχνευση α, β και γ ακτινοβολίες αδυναμία διαχωρισμού τους Σωματίδια α και β με μεγάλη ενέργεια (μείωση της απορρόφησης του παραθύρου) Μικρό πάχος δείγματος : μείωση της αυτοαπορρόφησης της ραδιενέργειας Αποφυγή μέτρησης άλλων εξωτερικών ακτινοβολιών (θωράκιση) γ- ακτινοβολία (μικρός ειδικός ιοντισμός) : μικρή απόδοση Η β-ακτινοβολία ανιχνεύεται με τη μεγαλύτερη απόδοση 26

27 Περιοχή Geiger-Mueller (9) Γεωμετρία ανιχνευτή για επαναλήψιμα αποτελέσματα. Ειδική θέση με κατάλληλο υλικό για την ελάττωση της διάχυσης και της παραγωγής Bremsstrahlung. Χρήση δύο μετρητών πλησιέστερα στο δείγμα. Για την θωράκιση του ανιχνευτή συνήθως χρησιμοποιείται σίδηρος ή μόλυβδο. (Fe: συχνότερα, οικονομικότερος λιγότερη μόλυνση από ραδιενεργές ενώσεις μεγάλου χρόνου ημιζωής) Το δυναμικό, που εφαρμόζεται, εξαρτάται από τον τύπο των αερίων που χρησιμοποιούνται και τον τρόπο κατασκευής του μετρητή. Χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων για την επεξεργασία του σήματος, μετατροπή του σε κατάλληλη μορφή και απόρριψη του θορύβου. 27

28 Ανιχνευτές Ιοντισμού Αερίου - Συμπεράσματα Συμπερασματικά, στους ανιχνευτές ιοντισμού αερίου, η μέτρηση της ραδιενέργειας βασίζεται στη συλλογή ζευγών ιόντων μετά από αλληλεπίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας με αέριο που βρίσκεται σε κλειστό θάλαμο. Πρόκειται για απλούς στην κατασκευή ανιχνευτές, αλλά εγγενώς έχουν περιορισμένη ευαισθησία, ιδιαίτερα στη μέτρηση ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών και δεν διακρίνουν ακτινοβολίες με διαφορετικές ενέργειες. Τούτο, μεταξύ, των άλλων, οφείλεται στη μικρή πυκνότητα του αερίου στην ευαίσθητη περιοχή, πράγμα που επιτρέπει την μη χαρακτηριστική ελεύθερη διακίνηση των ζευγών ιόντων που σχηματίζονται, καθώς και την διέλευση πολλών ακτινοβολιών χωρίς αλληλεπίδραση (απορρόφηση). 28

29 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (1) Δεν παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα των ανιχνευτών ιονισμού αερίων. Αρχή της μέτρησης : μερικά υλικά, που καλούνται σπινθηριστές ή φθορίζουσες ενώσεις, μπορούν να απορροφούν ενέργεια από ιοντίζουσα ακτινοβολία και να εκπέμπουν με τη μορφή ασθενών λάμψεων ορατού φωτός, σπινθηρισμούς Διέργεση τροχιακών ηλεκτρονίων σε υψηλότερη στοιβάδα (ζώνη αγωγιμότητας) περιοχή του μπλέ ορατού φωτός (4100 Å). Τα σήματα είναι ανάλογα της ποσότητας του φωτός που φθάνει στην φωτοευαίσθητη επιφάνεια, είναι ανάλογο της ενέργειας που απορροφάται κατά την διέλευση της ραδιενέργειας από τον σπινθηριστή το μέγεθος των παλμών που εξέρχεται από τον φωτοπολλαπλασιαστή είναι ανάλογο της ενέργειας των φωτονίων που απορροφούνται και ο αριθμός των παλμών συνδέεται με την συχνότητα με την οποία αλληλεπιδρά η ακτινοβολία με το φθορίζον υλικό (συνδέεται άμεσα με το ρυθμό διάσπασης του ραδιενεργού πυρήνα που εκπέμπει την ακτινοβολία). Δυνατότητα ταυτοποίησης του είδους και της πηγής της ακτινοβολίας 29

30 Οι μετρητές με ανιχνευτές σπινθηριστών : απαριθμητές σπινθηρισμών Τα βασικά μέρη του οργάνου είναι: α) ανιχνευτής σπινθηριστών, β) φωτοπολλαπλασιαστής, γ) τροφοδοτικό υψηλής τάσης και Ανιχνευτές Σπινθηριστών (2) δ) σειρά από άλλα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα (προενισχυτής, ενισχυτής, ομαδοποιητής, αναλυτής ύψους παλμών, καταγραφέας - διαθέσιμη τεχνολογία). Φωτοπολλαπλασιαστής, συλλέγει τα φωτόνια, μετατρέπει σε ηλεκτρικά σήματα, που συλλέγονται, ενισχύονται, διαμορφώνονται, ομαδοποιούνται και καταγράφονται από σειρά ηλεκτρονικών οργάνων που συνδέονται με τον ανιχνευτή. 30

31 Κατάταξη σπινθηροβόλων ενώσεων: οργανικές ανόργανες Σχέση δείγματος και φθορίζουσας ένωσης: ανιχνευτές εσωτερικού εξωτερικού δείγματος Ανόργανοι ανιχνευτές : μεγάλοι κρύσταλλοι Ανιχνευτές Σπινθηριστών (3) Οργανικοί ανιχνευτές : μεγάλοι κρύσταλλοι, συμπιεσμένη μάζα λεπτών κρυστάλλων, υλικό συμπολυμερισμού σε στερεά πλαστικά, ή σαν διαλύματα σε οργανικούς διαλύτες Διαφοροποίηση μηχανισμού παραγωγής σπινθήρων Οργανικοί σπινθηριστές: μοριακό φαινόμενο και χαρακτηρίζεται από μεταφορά ενέργειας διέργεσης από μόριο σε μόριο Ανόργανοι σπινθηριστές : ερεθισμός ηλεκτρονίων στη στερεά φάση που μεταφέρεται σε ειδικά κέντρα ενεργοποίησης στο κρυσταλλικό πλέγμα Απόδοση των φωτονίων στους ανόργανους κρυστάλλους είναι της τάξης των μs (αργοί), ενώ στους πλαστικούς και υγρούς σπινθηριστές της τάξης των ns (γρήγοροι) 31

32 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (4) Τα επιθυμητά χαρακτηριστικά μίας σπινθηροβόλου ουσίας συνοψίζονται ως ακολούθως: Να είναι καλός απορροφητής της ραδιενέργειας που προσπίπτει. Να παράγει κατά το δυνατό περισσότερο φως για κάθε ενέργεια που απορροφάται. Να μη απορροφά τους σπινθηρισμούς που εκπέμπει (διαπερατή από το φως). Να εκπέμπει φωτοβολίες σε μικρότερο χρόνο από μs, για να εξασφαλίζεται μέγιστος ρυθμός εκπομπής σπινθηρισμών. Να εκπέμπει φως με ένταση ανάλογη της ενέργειας που απορροφάται. Το μήκος κύματος των σπινθηρισμών πρέπει να βρίσκεται σε περιοχή που απαιτείται για να ενεργοποιηθεί η φωτοκάθοδος του φωτοπολλαπλασιαστή. 32

33 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (5) Ιδιότητες Επιλεγμένων Φθοριζουσών Ουσιών Φθορίζουσα ουσία Μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται (Å) Ημιπερίοδος εκπομπής φωτονίων* (μsec) Σχετική Πυκνότητα παραγωγής που εκπέμπεται (g/cm 3 ) Κύρια ακτινοβολία φωτός που Εκπέμπεται ΖnS(Ag) ,007 2,00 4,1 α ΝαΙ(Τl) ,0002 2,00 3,67 γ Anthracene ,022 1,00 1,24 β Trans-stilbene ,006 0,73 1,16 β p-terphenyl ,004 0,55 1,18 β *Διάρκεια σπινθηρισμού μέχρι το ήμισυ της μέγιστης έντασης αυτού. 33

34 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (6) Ο ΖnS(Ag) παρουσιάζει πολύ καλή σχετική απόδοση παραγωγής φωτός, μεγάλο μέγεθος κρυστάλλων του, δεν είναι πολύ διαφανείς, συνήθως χρησιμοποιείται σε μορφή πολύ λεπτών κρυσταλλικών στοιβάδων, π.χ. για την ανίχνευση σωματιδίων α. Το ΝαΙ(Τl) προσφέρεται σε μορφή μεγάλων υγροσκοπικών κρυστάλλων - χρησιμοποιείται ευρέως για ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών, διατίθεται σε διάφορα μεγέθη διαμέτρου 3,8-45 cm και πάχους 1,3-13 cm - εμφανίζουν ικανοποιητική πυκνότητα (3,67g/cm 3 ) για απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών και σε συνδυασμό με το υψηλό ατομικό βάρος του ιωδίου (Ζ=53) και την παρουσία θαλλίου (περίπου 0,1-0,4 mole %) προσφέρονται για ικανοποιητική παραγωγή φωτονίων (περίπου μία λάμψη ανά 30 ev ακτινοβολίας), με ελάχιστη αυτοαπορρόφηση φωτονίων υγροσκοπικοί. Το CsI(Να) προσφέρεται σε μορφές μεγάλων μη υγροσκοπικών κρυστάλλων και έχει μεγαλύτερη ανιχνευτική ικανότητα συγκριτικά με το ΝαΙ(Tl) - αλλά αποδίδει % λιγότερο φως - η πυκνότητα του κρυστάλλου αυτού είναι 4,51 g/cm 3 και οι λάμψεις εκπέμπονται σε χρόνο 0,65 μs. 34

35 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (7) Ανόργανοι σπινθηριστές : κρυσταλλική μορφή, σε διαλύματα τους χάνουν την ικανότητα σπινθηρισμού Οργανικοί σπινθηριστές : σε κρυσταλλική μορφή ή σαν διαλύματα σε οργανικούς διαλύτες (υγροί σπινθηριστές) Υπάρχει μεγάλη ποικιλία οργανικών σπινθηριστών που χρησιμοποιούνται κυρίως στη μέτρηση σωματιδίων β που εκπέμπονται, π.χ. 3 Η, 14 C, 32 P, καθώς και μαλακών ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών Οι στερεοί οργανικοί σπινθηριστές είναι οικονομικοί, διαμορφώνονται εύκολα σε επιθυμητό σχήμα, αποδίδουν γρήγορα το φως, αλλά δεν απορροφούν αποτελεσματικά τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες λόγω της συγκριτικά μικρής πυκνότητας που έχουν περίπου 1,2 g/cm 3 και δεν διακρίνουν εύκολα τα ενεργειακά επίπεδα των ακτινοβολιών που αλληλεπιδρούν Οργανικοί σπινθηριστές όπως το anthracene και p-terphenyl έχουν ενσωματωθεί σε πολυμερή, όπως polystyrene και polyvinyltoluene, οπότε λαμβάνονται οι πλαστικοί σπινθηριστές που εμφανίζουν το πλεονέκτημα στο ότι μπορεί να επεξεργαστούν εύκολα σε μηχανές με χαμηλό κόστος και σε μεγάλη ποικιλία σχημάτων και μεγεθών - χρησιμοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις όταν απαιτούνται μεγάλου μεγέθους ανιχνευτές, π.χ. σε ολόσωμες μετρήσεις (whole body counting), και δεν ζητούνται φασματοσκοπικές πληροφορίες για τις ενέργειες των ακτινοβολιών που αλληλεπιδρούν 35

36 Ανιχνευτές Σπινθηριστών (8) Επιλογή κατάλληλου ανιχνευτή ανάλογα με το δείγμα ή την περιοχή μέτρησης, το είδος και την ενέργεια ακτινοβολίας, κ.ά. Για ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες συνήθως χρησιμοποιούνται κρυσταλλικοί ανιχνευτές εξωτερικού δείγματος, ενώ για χαμηλής ενέργειας β υγροί σπινθηριστές. Ανιχνευτές εξωτερικού δείγματος : ραδιενέργεια από μια εξωτερική πηγή αντιδρά με φθορίζουσα κρυσταλλική ουσία που συνδυάζεται με οπτική σύνδεση με ένα φωτοπολλαπλασιαστή. Ανιχνευτές εσωτερικών δειγμάτων: το ραδιενεργό δείγμα βρίσκεται σε άμεση επαφή με την φθορίζουσα ουσία, π.χ. υπό μορφή διαλύματος, και το μίγμα τοποθετείται πλησίον ενός ή περισσοτέρων φωτοπολλαπλασιαστών. Και στους δύο τύπους ανιχνευτών πρέπει να υπάρχει καλή οπτική σύνδεση μεταξύ του φωτοβόλου υλικού και του φωτοπολλαπλασιαστή για να αποφεύγονται απώλειες φωτός. Επιπρόσθετα η φωτοβόλος ουσία και ο φωτοπολλαπλασιαστής πρέπει να θωρακίζονται από το ορατό φως για να αποφεύγονται παράσιτα από χημιφωτοβολίες της φωτοβόλου ένωσης και για να μη καταστραφούν τα φωτοευαίσθητα υλικά του φωτοπολλαπλασιαστή από την εφαρμογή του υψηλού δυναμικού. 36

37 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (1) Κρύσταλλος σπινθηρισμών με οπτική σύνδεση με φωτοπολλαπλασιαστή Στερεός σπινθηριστής, που χρησιμοποιείται για ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ραδιονουκλιδίων είναι κυλινδρικός κρύσταλλος μεγάλου μεγέθους ΝαΙ που περιέχει ίχνη Tl (0,1-0,4 mole %) υπό μορφή οξειδίου του Tl ή ιωδιούχου Tl Διαφορετικά μεγέθη ανάλογα με την εφαρμογή μεγάλου μεγέθους Πηγή ακτίνων γ τοποθετείται σε απόσταση από τον κρύσταλλο η απόδοση μέτρησης είναι χαμηλή - μικρό ποσοστό από την ακτινοβολία που εκπέμπεται αλληλεπιδρά με τον κρύσταλλο του ανιχνευτή 37

38 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (2) Η πηγή στην επιφάνεια του ανιχνευτή τα 50 % των ακτινοβολιών που εκπέμπονται αλληλεπιδρά με αυτόν - ενώ τα υπόλοιπα χάνονται και δεν μετρώνται ("γεωμετρία 2π"). Η πηγή στο εσωτερικό του ανιχνευτή τότε η μέτρηση έχει "γεωμετρία 4π" παρόλο που κάποιο μικρό ποσοστό της ακτινοβολίας χάνεται διαμέσου του ανοίγματος στη κορυφή του πηγαδιού, ανάλογα με την θέση της πηγής, στο εσωτερικό της οπής. Μεταβολή του όγκου της πηγής μεταβολή της γεωμετρία αυτής στον ανιχνευτή και δυνατό να επηρεαστεί σημαντικά ο ρυθμός μέτρησης. Όταν συγκρίνονται οι τιμές μέτρησης μεταξύ δειγμάτων πρέπει να γίνονται απαραίτητες διορθώσεις ομαλοποίησης των τιμών των μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψη διαφορές από την γεωμετρία, τον όγκο του δείγματος κ.ά. 38

39 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (3) 39

40 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (4) Κρύσταλλοι του ΝαΙ(Τl) : πολύ υγροσκοπικοί - προστατεύονται από την υγρασία με αεροστεγές περίβλημα αλουμινίου, χαλκού βηρυλλίου ή ανοξείδωτου χάλυβα, εκτός από τη πλευρά που καλύπτεται από λουσίτη (διαφανές υλικό) και είναι οπτικά συνδυασμένη με το διαπερατό παράθυρο ενός φωτοπολλαπλασιαστή (PM-tube). Αύξηση της συλλογής φωτός: η επιφάνεια του κρυστάλλου (εκτός εκείνης που συνδέεται με τον φωτοπολλαπλασιαστή) επικαλύπτεται με λεπτή στρώση οξειδίου του αργιλίου, μαγνησίου, τιτανίου ή άλλων υλικών με ισχυρές ανακλαστικές για το φως ιδιότητες κατάλληλη προσαρμογή. 40

41 Mηχανισμός παραγωγής φωτός Δομή του κρυστάλλου : κυβικό σύστημα Διαταραχές από την παρουσία ατόμων Tl που έχουν μεγαλύτερο ατομικό μέγεθος από τα άτομα Na και χρησιμοποιούνται στο να μετατρέψουν τα φωτόνια γ σε φωτόνια φωτός και στην αύξηση της απόδοσης παραγωγής φωτός (ενεργοποιητής) Θράση δεσμών ηλεκτρονίων σθένους δημιουργία οπών Σχηματισμός ελεύθερων κινούμενων e και οπών Ζώνη μετάδοσης ερεθισμού Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (5) Ρήγμα: ελάχιστη ενέργεια για την μεταφορά e στην ζώνη μετάδοσης ερεθισμού Ουδετεροποίηση της οπής με e από κέντρο φθορισμού (Tl) Ιοντισμός του Tl και πρόσληψη e από την ζώνη μετάδοσης ερεθισμού, διέγερση και αποβολή φωτονίου (πάντα μικρότερη από εκείνη του ρήγματος) ελευθερώνεται κατά 10-20% υπό μορφή ορατού φωτονίου με ενέργεια περίπου 3ev, μήκος κύματος 413nm και χρόνο εξασθένισης 250x10-9 sec, ενώ η υπόλοιπη διασκορπίζεται στο κρυσταλλικό πλέγμα ή μετατρέπεται σε θερμότητα. 41

42 42

43 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (6) Η γ-ακτινοβολία κινείται με την ταχύτητα του φωτός και συνήθως δεν επιβραδύνεται κατά την διέλευση της από τον κρύσταλλο, τον οποίο είτε μπορεί να διασχίσει χωρίς αλληλεπίδραση ή μπορεί να χάσει μέρος ή όλη την ενέργεια της αλληλεπιδρώντας με ηλεκτρόνια. Για να αλληλεπιδράσει ένα φωτόνιο γ με ηλεκτρόνιο του κρυστάλλου πρέπει να έχει ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια σύνδεσης του ηλεκτρονίου - για κάθε kev ενέργεια γ που απορροφάται από τον κρύσταλλο εκπέμπονται περίπου 40 φωτόνια φωτός που ανιχνεύονται από τον φωτοπολλαπλασιαστή. Ένας μικρός αριθμός φωτονίων μπορεί να ελευθερωθεί αυτόματα (χωρίς να ενεργοποιηθεί από ραδιενέργεια) λόγω της τυχαίας ταλάντευσης των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος - μη επιθυμητά και εκλαμβάνονται ως παράσιτα του κρυστάλλου. 43

44 Ανιχνευτές Εξωτερικού Δείγματος (7) Ο σχεδιασμός του κρυστάλλου επηρεάζει άμεσα την απόδοσή του: όσο αυξάνει η πυκνότητα, το μέγεθος και το πάχος του κρυστάλλου, τόσο αυξάνει η πιθανότητα για αλληλεπίδραση και επομένως η ευαισθησία και η απόδοση του ανιχνευτή αυξάνει, δηλαδή η ικανότητα του να ανταποκρίνεται στη ραδιενέργεια. Τα παράσιτα του κρυστάλλου αυξάνουν με το μέγεθος και το πάχος του κρυστάλλου. Κατάλληλη επιλογή μεγέθους και πάχους κρυστάλλου (για συνήθεις μετρήσεις βιολογικών δειγμάτων που εκπέμπουν μικρής ενέργειας γ-ακτινοβολίες επιλέγονται κρύσταλλοι μεγέθους περίπου 5 cm - ενώ για μεγάλης ενέργειας ακτινοβολίες-γ επιλέγονται μικρότεροι κρύσταλλοι). Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ανιχνευτών σπινθηρισμών Μηχανισμός παραγωγής φωτός στους ανιχνευτές σπινθηρισμών 44

45 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (1) Τα σωματίδια α και β δεν μπορούν να μετρηθούν με τον ανιχνευτή σπινθηρισμών εξωτερικού δείγματος, γιατί απορροφώνται από τα τοιχώματα του κρυστάλλου. Μπορούν να μετρηθούν με τον υγρό ανιχνευτή σπινθηρισμών. Ίδιες βασικές αρχές λειτουργίας με τον ανιχνευτή σπινθηρισμών εξωτερικού δείγματος Βασική διαφορά : στο μηχανισμό μεταφοράς ενέργειας από τη ακτινοβολία στη φθορίζουσα ένωση. Υγρή μέθοδος σπινθηρισμού : αιώρηση ή διάλυση του ραδιενεργού δείγματος σε ένα διαυγές φθορίζον διάλυμα. Φθορίζον διάλυμα : αρωματικός υδρογονάνθρακας (π.χ. τολουόλιο), στο οποίο έχουν διαλυθεί μία πρωτεύουσα και μία δευτερεύουσα φθορίζουσα ένωση. Μεταφορά της ενέργειας των κυρίως στα μόρια του διαλύτη (μικρή συγκέντρωση των φθοριζουσών ενώσεων) με αποτέλεσμα τα μόρια αυτού να ιοντίζονται, να διασπώνται ή να διεγείρονται. 45

46 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (2) Μεταφορά ενέργειας στα μόρια (κύρια ή δευτερεύουσα φθορίζουσα ένωση) αποδιέγερση εκπομπή φωτός στην υπεριώδη / ορατή ή κοντά στην υπεριώδη ανίχνευση από φωτοπολλαπλασιαστή Μικρό ποσό ενέργειας προσθήκη δευτερεύουσας φθορίζουσας ένωση εκπομπή σε μεγαλύτερο μήκος κύματος (μετατόπιση μήκους κύματος αύξηση απόδοσης ανιχνευτή) 46

47 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (3) Παραδείγματα Φθοριζουσών ενώσεων που κυρίως χρησιμοποιούνται στην Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού Φθορίζουσα Αρκτικόλεξα Χημικά ονόματα ένωση Πρωτεύουσα PPO 2,5-diphenyloxazole PBD 2-phenyl-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole butyl-pbd 2-(4-tert-butylphenyl)-5-(4-biphenylyl)- 1,3,4-oxadiazole PTP p-terpheny Δευτερεύουσα POPOP dimethyl-popop bis-msb α-npo PBBO BBOT 1,4-bis-2-(5-phenyloxazolyl)- benzene 1,4-bis-2-(4-methyl-5-phenyloxazolyl)benzene p-bis-(o-methylstyryl)benzene 2-(1-naphthyl)-5-phenyloxazole 2-(4'-biphenylyl)-6-phenyl-benzoxazole 2,5-bis-2-(5-tert-butylbenzoxazolyt)thiophene 47

48 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (4) Τοποθέτηση σε φιαλίδιο ( 20 ml), κατάλληλο για να εξασφαλίζει σχέση δείγματοςανιχνευτή, που να αντιστοιχεί σε γεωμετρία ανίχνευσης 4π. Δύο φωτοπολλαπλασιαστές με μεγάλη απόδοση σε χαμηλής ενέργειας σωματίδια β. Το μέγεθος και η συχνότητα των παλμών που εξέρχονται από τους φωτοπολλαπλασιαστές είναι απευθείας ανάλογα με την ενέργεια και την ένταση της ραδιενέργειας των α ή β που αλληλεπιδρούν με το μέσο σπινθηρισμού (διαφορά από τους ανιχνευτές εξωτερικού δείγματος). 48

49 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (5) Η συσχέτιση αυτή επιτρέπει την καταγραφή του φάσματος των σωματιδίων, ενώ η αναλογία του μεγέθους των παλμών με την ενέργεια των σωματιδίων επιτρέπει την ταυτόχρονη διάκριση των φασμάτων από δύο διαφορετικά ραδιοϊσότοπα, όταν η διαφορά των μέγιστων ενεργειών τους είναι μεγαλύτερη από τέσσερις φορές. Π.χ. διακρίνονται τα φάσματα του 3 H (Emax 0,018 Mev) και του 14 C (Emax 0,156 Mev) - η απόδοση της μέτρησης ελαττώνεται καθώς μειώνεται η ενέργεια των ακτινοβολιών και είναι περίπου 90% για τον 14 C και 40% για το 3 H. 49

50 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (6) Μεγάλη ταχύτητα απόκρισης χρήση γρήγορων ενισχυτών. Απόδοση 100% για τα σωματίδια α ειδική προετοιμασία διότι είναι αδιάλυτα στους αρωματικoύς υδρογονάνθρακες. Ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν μόνον ασθενείς ακτίνες Χ, όπως 55 Fe, μετρώνται κυρίως με υγρούς σπινθηριστές, ενώ μεγάλης ενέργειας ακτινοβολία-γ μπορεί να μετρηθεί μόνο με ειδικούς υγρούς σπινθηριστές που έχουν σχεδιαστεί κατάλληλα και περιέχουν μεγάλη ποσότητα φθορίζοντος υγρού. Μεγάλου όγκου υγροί σπινθηριστές ή ολόσωμοι μετρητές - χρησιμοποιούνται σε προληπτικούς περιοδικούς ελέγχους των εργαζομένων σε ραδιενεργούς χώρους. Συστατικά του φθορίζοντος διαλύματος το κύριο μέρος του φθορίζοντος διαλύματος αποτελείται από τον κύριο διαλύτη που περιέχει μικρές ποσότητες πρωτεύουσας και δευτερεύουσας φθορίζουσας ουσίας - ανάλογα με το δείγμα που μετρείται, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ένας δευτερεύοντας διαλύτης, ο οποίος συμβάλει στην διάλυση του ραδιενεργού δείγματος. 50

51 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (7) Πρωτεύοντας διαλύτης Απορροφά ενέργεια - τη μεταφέρει στην φθορίζουσα ένωση - μικρό συντελεστή απορρόφησης του φωτός που εκπέμπεται από τη τελευταία - πρέπει να παραμένει στην υγρή φάση στις θερμοκρασίες που γίνεται η μέτρηση και να έχει καλή χημική διαλυτική ικανότητα για μία μεγάλη ποικιλία δειγμάτων. Αποτελεσματικοί διαλύτες οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες της δομής του αλκυλοβενζολίου (τολουόλιο ευρεία χρήση - μειονεκτήματα : χαμηλό σημείο ανάφλεξης μη καλή ανάμιξη με το νερό. Λιγότερο αποτελεσματικοί (πολύ χρήσιμοι για μερικούς τύπους δειγμάτων) : αιθέρες (ανισόλη (CH 3 OC 6 H 5 ) - 1,4-διοξάνη [Ο:(CH 2 ) 4 :O]) είναι από τους διαλύτες που επιλέγονται συχνά οι αποδόσεις τους σε μεταφορά ενέργειας (σε σύγκριση με το τολουόλιο: 80% και 70% (διοξάνη αναμιγνύεται με το νερό - έχει πρόβλημα διότι τήκεται στους 12 C). 51

52 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (8) Δευτερεύων διαλύτης : Μίγματα διαλυτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαλύσουν ραδιενεργά δείγματα που δεν είναι διαλυτά σε ένα πρωτεύοντα διαλύτη ή για να αυξήσουν την απόδοση μεταφοράς ενέργειας σε ένα κατώτερο, από πλευράς μεταφοράς ενέργειας, πρωτεύοντα διαλύτη που έχει επιθυμητές διαλυτικές ιδιότητες Π.χ. προσθήκη μικρών ποσοτήτων αιθανόλης ή μεθανόλης σε τολουόλιο (πρωτεύοντας διαλύτης) αυξάνει σημαντικά την ικανότητα του, να αναμιγνύει υδατικά διαλύματα, χωρίς να προκαλεί σημαντικές απώλειες στην απόδοση σπινθηρισμού Αντίθετα όταν χρησιμοποιείται διοξάνη ως πρωτεύων διαλύτης - αναμιγνύεται με το νερό: η μικρότερη απόδοση μεταφοράς ενέργειας μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ναφθαλενίου Ειδικά αντιδραστήρια σύνδεσης με ανόργανες ουσίες: τα μεταλλικά ιόντα μπορεί να ενσωματωθούν σε όργανο-μεταλλικά σύμπλοκα που είναι ευδιάλυτα σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες (όξινοι εστέρες του ορθοφωσφορικού οξέος) - μεταλλικά ιόντα σε άλατα του 2-ethylhexanoic acid (octoic acid) που είναι αρκετά διαλυτά σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες 52

53 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (9) Πρωτεύουσα φθορίζουσα ένωση: μετατρέπει, με μεγάλη απόδοση, την ενέργεια διέγερσης σε κβάντα φωτός Κοινό χαρακτηριστικό για τις περισσότερο αποτελεσματικές φθορίζουσες ενώσεις : περιέχουν τρεις - τέσσερις αρωματικούς ή ετεροκυκλικούς δακτυλίους, που ενώνονται μεταξύ τους με ένα γραμμικό τρόπο, που επιτρέπει συνεχή σύζευξη σε όλο το μόριο Πρέπει επίσης να εκπέμπει φως με φάσμα, που να ταιριάζει στην ευαισθησία της φωτοκαθόδου - πρέπει να διαλύεται σε μία ποικιλία από διαλύτες, κυρίως σε χαμηλές θερμοκρασίες Γενικά, για ένα δοθέντα διαλύτη η απόδοση μέτρησης αυξάνει, όταν αυξάνεται η συγκέντρωση της φθορίζουσας ένωσης μέχρις ενός σημείου όπου παρατηρείται σταθερή απόδοση φωτός Προστίθεται σε ποσότητα λίγο μεγαλύτερη από το σημείο, που αρχίζει να παρατηρείται σταθερή σχετική απόδοση φωτός 53

54 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (10) 54

55 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (11) Πρακτική εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα: α) TP ή p-terphenyl, που είναι χαμηλού κόστους, μειονέκτημα: περιορισμένης διαλυτότητας, κυρίως σε χαμηλές θερμοκρασίες. β) PPO ή (2,5 diphenyloxazole), που έχει μεγαλύτερο κόστος, πλην όμως, χρησιμοποιείται ευρύτατα, γιατί διαλύεται εύκολα σε χαμηλές θερμοκρασίες - τα φωτόνια που προέρχονται από το PPO δίνουν 3% περίπου μεγαλύτερο σχετικό μέγεθος παλμών από το p-terphenyl. γ) το PBD ή [2-phenyl-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole] είναι η πλέον αποτελεσματική, πρωτεύουσα φθορίζουσα ουσία, που δίνει περίπου 24% μεγαλύτερο σχετικό μέγεθος παλμών από εκείνους, που λαμβάνονται με το p-terphenyl, πλην όμως παρουσιάζει το μειονέκτημα περιορισμένης διαλυτότητας και μεγάλου κόστους. Τα φωτόνια που εκπέμπονται από τους τρεις διαλύτες, που συζητήθηκαν προηγούμενα, παρουσιάζουν αντίστοιχα αιχμές στις περιοχές 3460, 3700 και 3800Å που σημαίνει ότι είναι ωφέλιμο, να συνδυάζονται με μία δευτερεύουσα φθορίζουσα ουσία, η οποία να μετατοπίζει το μήκος κύματος. 55

56 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (12) Δευτερεύουσα φθορίζουσα ένωση: Α) μετατοπίζει το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται από την πρωτεύουσα φθορίζουσα ουσία σε μία περιοχή μεγαλύτερης ευαισθησίας για τη φωτοκάθοδο. Β) είναι συνήθως πολύ μεγάλου κόστους και μικρής διαλυτότητας ή προκαλούν μεγάλο βαθμό απόσβεσης, για να χρησιμοποιούνται σαν πρωτεύουσες φθορίζουσες ουσίες. Οταν χρησιμοποιούνται σαν δευτερεύουσες φθορίζουσες ενώσεις, ελάχιστη ποσότητα αυτών προκαλεί μεγάλη αύξηση στην απόδοση μέτρησης ( 1% συγκέντρωσης της πρωτεύουσας φθορίζουσας ένωσης). 56

57 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (13) Προβλήματα, που παρουσιάζονται κατά την Μέτρηση Υγρού Σπινθηρισμού α) Θερμικά Παράσιτα από το Φωτοπολλαπλασιαστή, β) Παρασκευή του δείγματος για μέτρηση γ) Απόσβεση φθορισμού 57

58 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (14) 1) Θερμικά Παράσιτα από το Φωτοπολλαπλασιαστή -Α Α) μέγεθος των παλμών που προκύπτουν από τα μικρής ενέργειας βήτα σωματίδια είναι τόσο μικρό, ώστε εύκολα μπορεί να υπερκαλυφθεί από τυχαίες παρεμβάσεις από θερμικά παράσιτα των φωτοπολλαπλασιστών και για τον λόγο αυτό πρέπει να ελαχιστοποιηθούν Β) φωτοκάθοδος που βρίσκεται τελείως στο σκοτάδι σε θερμοκρασία δωματίου (20-22 o C), μπορεί να εκπέμπει μόνη της, χωρίς εξωτερικό ερέθισμα, μέχρι 5000 φωτοηλεκτρόνια /cm 2 /sec Γ) Ελάττωση παρασίτων με ψύξη (0-5 C) Δ) Χρήση επιλογέα ενεργειακού επιπέδου παλμών : δεν ελαττώνει τα παράσιτα του φωτοπολλαπλασιαστή, αλλά απλώς εμποδίζει να μετρηθούν 58

59 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (15) 1) Θερμικά Παράσιτα από το Φωτοπολλαπλασιαστή - Β Μη αποτελεσματική για ενέργειας χαμηλού επιπέδου. Χρήση δύο φωτοπολλαπλασιαστών. Το ζεύγος αυτό των φωτοπολλαπλασιαστών συνδέεται με ένα κύκλωμα σύμπτωσης (coincidence circuit), που ρυθμίζεται έτσι ώστε να επιτρέπει να καταγράφει μία μέτρηση, μόνον όταν ένας παλμός από κάθε φωτοπολλαπλασιαστή φθάσει ταυτόχρονα σε αυτό. Ελάττωση θερμικών παρασίτων. Μειονέκτημα της μεθόδου : ελαφρά μείωση της ευαισθησία ανίχνευσης (για την καταγραφή ενός παλμού απαιτούνται τουλάχιστον δύο φωτοηλεκτρόνια (ένα από κάθε φωτοκάθοδο). Πρόβλημα στην καταγραφή ακτινοβολιών χαμηλής ενέργειας. 59

60 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (16) 2) Παρασκευή του δείγματος για μέτρηση Α) μη καλή ανάμιξη των υδρογονανθράκων με το νερό. Β) πολλά από τα συνηθισμένα βιολογικά προϊόντα είναι πολικά στη φύση τους και διαλύονται σε μη πολικούς διαλύτες, όπως το τολουόλιο. Γ) ελεύθερη διέλευση του φωτός: αυτό απαιτεί ειδική μελέτη για κάθε δείγμα, όταν οι προδιαγραφές διάλυσης καθοριστούν, τότε πλέον είναι πολύ εύκολο, να επαναληφθεί η μεθοδολογία για σειρά δειγμάτων. 60

61 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (17) 3) Απόσβεση φθορισμού Απόσβεση : οποιοδήποτε αίτιο που εμβάλει εμπόδια και οδηγεί στην ελάττωση της απόδοσης στη διαδικασία μεταφοράς ενέργειας στο φθορίζον διάλυμα ή γενικότερα που μειώνει το φως που φθάνει στη φωτοκάθοδο. Η απόσβεση καταλήγει σε ελάττωση της ποσότητας του φωτός που αποδίδεται ανά ραδιενεργό σωματίδιο και επομένως παράγεται ένας μικρότερου μεγέθους παλμός στο φωτο-πολλαπλασιαστή, ή ακόμη είναι δυνατό να εμποδιστεί η παρασκευή ενός ανιχνεύσιμου παλμού. Το καθαρό αποτέλεσμα της απόσβεσης είναι να ελαττωθεί η αποτελεσματικότητα ανίχνευσης - επειδή η έκταση της απόσβεσης ποικίλει σημαντικά παρουσία διαφόρων υλικών, η απευθείας σύγκριση των αποτελεσμάτων μέτρησης με σειρά προτύπων για διόρθωση είναι σχεδόν αδύνατος πρέπει να προσδιορίζεται σε κάθε δείγμα χωριστά η ελάττωση της απόδοσης μέτρησης λόγω απόσβεσης. 61

62 Μέτρηση της Ραδιενέργειας με Υγρή Μέθοδο Σπινθηρισμού (18) Χημική απόσβεση: η μάζα της ραδιενεργούς ουσίας ή κάποιου άλλου συστατικού στο φθορίζον υγρό απορροφά μέρος από την ενέργεια της ακτινοβολίας που αλληλεπιδρά με αυτό με αποτέλεσμα να ελαττωθεί αυτή σε βαθμό που να μη είναι ικανή να διεγείρει τη φθορίζουσα ουσία. Απόσβεση διάλυσης: εάν το φθορίζον υγρό αραιωθεί παρά πολύ από τον όγκο της ραδιενεργούς ουσίας, τότε θα ελαττωθεί η πιθανότητα να προκληθεί φθορισμός. Απόσβεση χρωματισμού: εάν το ραδιενεργό δείγμα χρωματίζει το φθορίζον υγρό, τότε αυτό θα απορροφά μερικά από τα φθορίζοντα φωτόνια, πριν αυτά εξέλθουν από το φιαλίδιο προς τον φωτοπολλαπλασιαστή. Η χημική απόσβεση και η απόσβεση χρωματισμού συνδέονται κυρίως με τη μοριακή δομή του υλικού, ενώ η απόσβεση διάλυσης συνδέεται με τη συγκέντρωση του ραδιενεργού δείγματος. Αποσβέσεις, επίσης, μπορεί να προέλθουν από το διαχωρισμό του φθορίζοντος υγρού σε δύο υγρές στοιβάδες, από μερική κατάψυξη του διαλύματος, από θόλωση εξωτερικά του φιαλιδίου από διάφορες αιτίες (οπτική απόσβεση) κ.ά. 62

63 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (1) Η αυτοραδιογραφία αναφέρεται στη παραγωγή 2 ή 3 διαστάσεων εικόνας σε ένα φωτογραφικό γαλάκτωμα μετά από αλληλεπίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ραδιενεργό δείγμα. Παράγεται μία λανθάνουσα εικόνα, κατά τρόπο παρόμοιο με εκείνο του ορατού φωτός. Η προσβολή του γαλακτώματος γίνεται με ανάλογο τρόπο όπως και στο φωτογραφικό film (αναγωγή αλάτων του αργύρου). Το δείγμα τοποθετείται όσο το δυνατό πλησιέστερα σε ένα φωτογραφικό γαλάκτωμα, μετά από δοθείσα χρονική περίοδο, το film αναπτύσσεται, και η επακριβής κατανομή και η θέση του ραδιενεργού υλικού στο δείγμα μπορεί να προσδιοριστεί από το σχήμα και την ένταση της αμαύρωσης στο film. 63

64 Φωτογραφικά γαλακτώματα στον εντοπισμό σωματιδίων 64

65 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (2) Διαχωρισμός (resolution) προσδιορίζεται η μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο ελαχίστου μεγέθους ραδιενεργών πηγών (σημειακές πηγές) που επιτρέπει να διακρίνονται μεταξύ τους στο film - επηρεάζεται από ένα αριθμό παραγόντων. Ο μέγιστος διαχωρισμός, που επιτυγχάνεται σε μία δοθείσα κατάσταση, περιορίζεται από το ειδικό γαλάκτωμα που χρησιμοποιείται. Για καλύτερο διαχωρισμό πρέπει να χρησιμοποιείται κατά το δυνατόν λεπτότερο δείγμα, που να τοποθετείται, όσο γίνεται πλησιέστερα καλύτερα σε επαφή με το γαλάκτωμα λόγω διάχυσης της ακτινοβολίας. 65

66 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (3) Επίδραση του είδους της ακτινοβολίας στον διαχωρισμό Η ένταση της αμαύρωσης του film συνδέεται απευθείας με τον ειδικό ιοντισμό του ιοντίζοντος σωματιδίου. Τα σωματίδια α παράγουν τόσο έντονο ειδικό ιοντισμό στο γαλάκτωμα ώστε διακρίνονται εύκολα σχηματίζοντας έντονες τροχιές με μικρό μήκος διάβασης ισχυρά τοξικά, δεν χρησιμοποιούνται σαν ραδιοϊχνηθέτες. Τα σωματίδια β που έχουν μικρότερο ειδικό ιοντισμό, διασχίζουν μακρύτερα και σε πιο ακανόνιστη διάβαση το φωτογραφικό γαλάκτωμα και προκαλούν, κατά κάποιο τρόπο, πιο διάχυτη εικόνα από τα α. Οι ακτίνες γ πολύ σπάνια χρησιμοποιούνται σε μελέτες αυτοραδιογραφίας, λόγω του πολύ μικρού ειδικού τους ιοντισμού. 66

67 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (4) Η πυκνότητα των ιόντων που σχηματίζονται κατά μήκος διάβασης συνδέεται αντίστροφα με την κινητική ενέργεια των σωματιδίων β, μικρής ενέργειας σωματίδια β θα δημιουργούν αυτοραδιογραφήματα μεγάλου διαχωρισμού. Ο μέσος όρος του μήκους διάβασης σε φωτογραφικό γαλάκτωμα των σωματιδίων β που εκπέμπονται από τα πλέον συνήθη χρησιμοποιούμενα ραδιοϊσότοπα, είναι: 3 Η < 2 μm, 14 C και 32 S < 100 μm και 32 Ρ > 3200 μm Το 3 Η δίνει τον καλύτερο διαχωρισμό σε αυτοραδιογραφήματα σε αντίθεση με τον 32 Ρ που εκπέμπει μεγάλης ενέργειας β σωματίδια και παράγει πολύ διάχυτες εικόνες, οι οποίες, κυρίως σε ενδοκυτταρικές μελέτες, καθιστούν αδύνατο το διαχωρισμό επισημασμένων με το ισότοπο αυτό ενώσεων. Το ίδιο συμβαίνει και με τις ακτίνες γ και Χ: οι πολύ μαλακές ακτίνες-χ, που προκύπτουν από σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να δώσουν σχετικά καλές εικόνες σε ειδικά ευαίσθητα φωτογραφικά γαλακτώματα, σε αντίθεση με τις ακτίνες γ που δεν ανιχνεύονται εύκολα. 67

68 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (5) Τα films, αποτελούνται από το ευαίσθητο υλικό, όπου συνήθως χρησιμοποιούνται κόκκοι αλογονούχου άλατος του αργύρου διασκορπισμένοι σε ένα μέσο ζελατίνης, με τρόπο ώστε να σχηματίζεται γαλάκτωμα - η μία πλευρά αυτού του γαλακτώματος καλύπτεται από ένα φύλλο οξικής κυτταρίνης ή γυαλί. Α) το μέγεθος και η συγκέντρωση των κόκκων των αλογονούχων αλάτων του αργύρου προσδιορίζουν την ευαισθησία και τη διακριτική ικανότητα του γαλακτώματος, Β) το μέγεθος των κόκκων συνδέεται απευθείας με την ευαισθησία του γαλακτώματος, και η συγκέντρωση αυτών με το βαθμό διαχωρισμού που επιτυγχάνεται, Γ) όταν αυξάνει η ευαισθησία του γαλακτώματος για την ιοντίζουσα ακτινοβολία, αυξάνει και η ευαισθησία για τη ραδιενέργεια, που προέρχεται από παράσιτα, που επηρεάζει την ευκρίνεια της εικόνας, Συμβιβασμός παραγόντων στα εμπορικά γαλακτώματα για βέλτιστα αποτελέσματα 68

69 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (6) Αυτοραδιογραφικά γαλακτώματα : α) που χρησιμοποιούνται για απεικονίσεις μικρής ευκρίνειας - σχετικά μικρό διαχωρισμό και ευαισθησία στα παράσιτα και β) που είναι κατάλληλα για απεικονίσεις μεγάλης ευκρίνειας σε μικρού μεγέθους περιοχές (πυρηνικά γαλακτώματα) - χρησιμοποιούνται για μικροσκοπική αυτοραδιογραφία και περιλαμβάνουν γαλακτώματα ευαίσθητα σε σωματίδια α και β. 69

70 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (7) Ο χρόνος έκθεσης στην αυτοραδιογραφία προσδιορίζεται συνήθως εμπειρικά σωματίδια β πρέπει να αλληλεπιδράσουν ανά cm 2 ενός φωτογραφικού film, για να παραχθεί αποτελεσματική αμαύρωση, ενώ για ανεκτή αμαύρωση μπορεί να ληφθεί μετά από αλληλεπιδράσεις ανά cm 2 Μία πρόχειρη εκτίμηση του χρόνου έκθεσης μπορεί να γίνει μετρώντας την ραδιενέργεια του δείγματος ανά cm 2 με ένα ανιχνευτή GM με λεπτό παράθυρο. Υποθέτουμε, ότι ο αριθμός μέτρησης, που αναγράφεται στον ανιχνευτή, είναι περίπου ίσος με το ρυθμό της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με το γαλάκτωμα, οπότε το χρονικό διάστημα, που απαιτείται, για να συσσωρευτεί ο παραπάνω αριθμός των β σωματιδίων, που αλληλεπιδρούν, μπορεί χρονικά να υπολογιστεί. Ο χρόνος έκθεσης, επηρεάζεται και από την ενέργεια των σωματιδίων, το πάχος του ραδιενεργού δείγματος και τα παράσιτα από τη ραδιενέργεια του περιβάλλοντος. Ελάττωση του χρόνου έκθεσης με απλή αύξηση της ραδιενέργειας στο δείγμα, αλλά πολλές φορές αυτό είναι αδύνατο λόγω βιολογικών (ραδιενεργή φθορά) ή άλλων αιτιών. 70

71 Ανίχνευση της ραδιενέργειας με αυτοραδιογραφία (8) Προσοχή στην παρασκευή διαφόρων δειγμάτων ή τμημάτων ιστών για αυτοραδιογραφία για να αποφεύγονται διεργασίες που θα προκαλούσαν διαρροή ή μετακίνηση των ραδιοϊχνηθετών από το αρχικό σημείο εντόπισης τους. Κάθε τύπος δείγματος και κάθε ισότοπο παρουσιάζουν ειδικά προβλήματα. Προσοχή στον 32 P (διαρρέει από ιστούς) Δύο κυρίως μέθοδοι αυτοραδιογραφίας χρησιμοποιούνται : Α) το γαλάκτωμα και το δείγμα φέρονται σε επαφή μόνο κατά τη διάρκεια του χρόνου έκθεσης, μετά από τον οποίο το γαλάκτωμα απομακρύνεται και αναπτύσσεται έχει εφαρμογή σε μικρής ευκρίνειας μετρήσεις. Β) με ειδική τεχνολογία επιτυγχάνεται μόνιμη επίθεση του δείγματος στο φωτογραφικό γαλάκτωμα, όπου μετά από κατάλληλο χρόνο έκθεσης στην ακτινοβολία, που εκπέμπεται από το δείγμα, αναπτύσσεται το film, και στη συνέχεια μελετάται το αυτοραδιογράφημα και το δείγμα με γυμνό οφθαλμό, μικροσκόπιο ή άλλα μέσα. 71