Korisnik:Trepta/sandbox
Gama-spektroskopija
urediGama-spektroskopija (spektroskopija gama-zračenja) je metoda kvalitativnog i kvantitativnog ispitivanja spektara gama-zračenja iz različitih izvora.
Gama-zraci su elektromagnetno zračenje koje emituje ili apsorbuje atomsko jezgro. Svako jezgro određenog broja protona i neutrona karakteriše jedinstven raspored diskretnih energetskih nivoa u kojima se ono može naći, a time i jedinstven spektar gama-zračenja, na osnovu kog se može identifikovati jezgro i odrediti njegova koncentracija u uzorku.
Gama-zračenje može nastati anihilacijom čestice i antičestice.
Interakcije gama-zračenja sa sredinom
urediU sudarima sa atomima materijala detektora, alfa- i beta-čestice izazivaju intenzivnu jonizaciju (direktnu, primarnu jonizaciju) i pobuđivanje tih atoma.[1] Za razliku od ovih čestica, gama-fotoni slabo interaguju sa sredinom preko sudara, što je posledica odsustva naelektrisanja i merljive mase (tj. mase mirovanja): svojim prolaskom kroz materijal gama-foton proizvodi od 10 do 100 puta manje jonskih parova nego beta-čestica iste energije.[2] Usled toga, detekcija gama-zračenja zasniva se skoro sasvim na sekundarnoj jonizaciji, izazvanoj malobrojnim ali visokoenergetskim česticama proizvedenim u tri tipa interakcije gama-zračenja sa materijom: Komptonovom rasejanju, fotoelektričnom efektu i stvaranju parova elektron-pozitron.[2] Gama-fotoni podležu i elastičnom, Rejlijevom rasejanju, ali ono se ne uzima u obzir za detekciju, jer ne prenosi energiju detektoru, premda doprinosi atenuaciji (prigušenju) zračenja.[1]
Komptonovo rasejanje
urediSudarivši se sa slabo vezanim elektronom, γ -foton mu može predati deo svoje energije i transformisati se u foton manje energije, odnosno veće talasne dužine. Energija koju elektron primi od gama-fotona transformiše se u kinetičku energiju s kojom napušta atom. Ova pojava naziva se Komptonovim rasejanjem.[3]
Fotoelektrični efekat
urediPri fotoelektričnom efektu materijal potpuno apsorbuje γ-foton, čija se energija raspodeljuje na energiju veze elektrona u atomu materijala i kinetičku energiju elektrona, a znatno manji deo odlazi na kinetičku energiju atoma iz kog je izbijen elektron. S obzirom da time nastaje upražnjeno mesto u elektronskom omotaču, sledi njegovo popunjavanje silaskom nekog od elektrona iz viših nivoa, pri čemu se emituju X-zraci i/ili Ožeovi elektroni, koje materijal apsorbuje.
Stvaranje parova
urediKada se γ-foton energije jednake ili veće od 1,022 MeV nađe u električnom polju jezgra ili elektrona, može doći do stvaranja para elektron-pozitron. Gama-foton se transformiše u elektron i pozitron; 1,022 MeV je energetski ekvivalent mase mirovanja elektrona i pozitrona zajedno, a ukoliko je energija fotona viša od ove vrednosti, ta razlika odlazi na kinetičku energiju elektrona i pozitrona. Zbog intenzivne interakcije sa sredinom, pozitron se ubrzo anihilira u njoj sa nekim elektronom, proizvodeći dva gama-fotona od po 0,511 MeV, dok prvi elektron nastavlja da jonizuje sredinu. Moguće je stvaranje različitih parova čestica-antičestica, za šta je potrebno da γ-zrak poseduje odgovarajuću energiju - na primer, za stvaranje para proton-antiproton potreban je gama-foton od 2 GeV.[3]
Detekcija gama-zračenja
urediDobar detektor gama-zračenja karakteriše proporcionalnost između signala i energije zračenja, jednostavan mehanizam prevođenja interakcije u signal, visoka energetska rezolucija, stabilnost u odnosu na vreme, temperaturu i druge parametre. Potrebna je visoka efikasnost detektora, koja je određena odnosom apsorbovanog i ukupnog gama-zračenja koje pada na detektor. Verovatnoća za napomenute interakcije gama-zračenja sa sredinom, koja predstavlja meru apsorpcije i efikasnosti, raste sa porastom rednog broja materijala i veličine detektora. Kako je poželjan detektor manjih, praktičnih dimenzija, akcenat je na visokom atomskom broju.[1]
U γ-spektroskopiji najviše se koriste poluprovodnički i scintilacioni brojači.
Poluprovodnički detektori
urediPrema zonskoj teoriji kristala, poluprovodnici su oni materijali čija je valentna zona popunjena, ali je energetski procep (zabranjena zona) između nje i provodne zone dovoljno mali (~ 1eV) da može da se premosti termalnom ekscitacijom valentnih elektrona. Prelaskom elektrona u višu zonu nastaje upražnjeno mesto - šupljina. Pod normalnim uslovima u provodnoj zoni poluprovodnika uvek je prisutan neki broj elektrona, zbog čega on u manjoj meri uvek provodi struju (pozadinska struja). Ukoliko se, hlađenjem materijala, intenzitet ove struje umanji, mnogo efikasnije se detektuje dodatna struja koja potiče od ekscitacije elektrona gama-zracima, što je osnov za detekciju pomoću poluprovodničkih materijala.[1]
U direktnoj interakciji fotona sa materijalom oslobađaju se tzv. primarni elektroni. Primarni elektroni jonizuju sredinu, oslobađajući sekundarne elektrone; zatim sekundarni elektroni vrše jonizaciju itd. Što je viša energija fotona, to je veći broj elektrona koje indirektno oslobađa. Stoga, ovim kaskadnim procesom jedan gama-foton, kao čestica izuzetno visoke energije, proizvodi veliki broj parova elektron-šupljina.[4] Elektroni i šupljine skupljaju se pomoću spoljašnjeg električnog polja, u vidu struje koja se dalje prevodi u signal.
Najčešće korišćeni poluprovodnički brojač je germanijum visoke čistoće (eng. HPGe – Hyperpure Germanium). Germanijum je pogodan materijal zbog svog relativno visokog atomskog broja, uske zabranjene zone, niske vrednosti energije potrebne za stvaranje elektrona i šupljina, i visoke pokretljivosti elektrona i šupljina u njemu.[1]
Ovaj detektor funkcioniše na niskim temperaturama, pa se hladi tečnim azotom do 77 K. Karakteriše ga visoka rezolucija, definisana kao širina linije od 2,4 keV na energiji zračenja od 1332,54 keV.
Scintilacioni detektori
urediMaterijali korišćeni kao scintilacioni detektori su izolatori. Dejstvom gama-zračenja, elektron iz valentne zone biva pobuđen do nivoa nešto ispod provodne zone, ali sa odgovarajućom šupljinom ostaje u jakoj elektrostatičkoj interakciji, obrazujući sa njom tzv. eksciton. Deekscitacijom elektrona do valentne zone, tj. spajanjem elektrona sa šupljinom, emituje se elektromagnetno zračenje. Scintilator emituje vidljivo zračenje koje se prevodi u signal, npr. pomoću fotomultiplikatora.[1]
Scintilator treba da je transparentan za emitovano zračenje, a vreme života pobuđenog stanja kratko, kako bi detektor „izbrojao“ što više emitovanih fotona.
Neorganski kristal NaI je najčešće korišćeni scintilator.[2]
Rezolucija scintilacionog detektora opada sa porastom energije gama-zraka.[1]
Interpretacija spektra
uredi
S obzirom na različite procese koje izaziva gama-zračenje u detektoru i u njegovoj neposrednoj okolini, spektar se sastoji od više pikova, čiji položaj, oblik i intenzitet zavise od tipa interakcije.
Glavne vrste pikova u gama-spektru su:
- fotopik – odgovara ukupnoj, početnoj energiji gama-zraka Eγ, odnosno energiji fotona koji su potpuno apsorbovani u materijalu detektora.
- Komptonova ivica – maksimalna energija rasejanog gama-fotona pri Komptonovoj interakciji. Spektar ovih fotona je kontinualan, jer zavisi od ugla rasejanja koji može imati bilo koju vrednost.
- pik X-zraka – preraspodela elektrona nakon radioaktivnog raspada ili unutrašnje konverzije, kao i pobuđivanje materijala oko detektora mogu uzrokovati emisiju X-zraka.
- pik od unazad rasejanog fotona (eng. backscatter peak) – detektor apsorbuje gama-zrake nastale Komptonovim rasejanjem u materijalu koji okružuje detektor. Njegov položaj i intenzitet zavisi od količine okolnog materijala i njegovog rastojanja od materijala detektora.
Kod gama-fotona energije veće od 1,022 MeV dolazi do stvaranja parova elektrona i pozitrona u detektoru i u njegovoj neposrednoj blizini. Dva gama-fotona koji nastaju pratećom anihilacijom pozitrona izazivaju pojavu tri dodatna pika:
- pik „jednostrukog izbegavanja“ (eng. single escape peak) – nastali gama-fotoni mogu „pobeći“ iz detektora. Ukoliko je jedan foton napustio detektor, energija koju detektor registruje umanjena je za energiju tog fotona, tj. ima vrednost Eγ – 0,511 MeV.
- pik „dvostrukog izbegavanja“ (eng. double escape peak) – ukoliko su oba fotona napustila detektor, rezultujuća energija iznosi Eγ – 2 × 0,511 MeV.
- anihilacioni pik – umesto u detektoru, pozitron može da se generiše van njega, i zatim anihilacijom sa elektronom proizvede dva gama-fotona. Detektor registruje deo ovih fotona, koji imaju energiju od po 0,511 MeV.[2]
Primena gama-spektroskopije
urediNakon alfa- ili beta-raspada jezgro može ostati u pobuđenom stanju; potom se deekscituje direktnom emisijom gama-zraka ili putem unutrašnje konverzije. Tip jezgra i radioaktivnog raspada može se utvrditi ispitivanjem gama-zračenja. Pri β+-raspadu, nastali pozitron anihilira se sa elektronom iz okruženja, dajući dva karakteristična γ-fotona od po 0,511 MeV (što je poslužilo prilikom potvrde postojanja neutrina). Alfa-čestice nakon raspada jezgra-roditelja mogu imati različite energije, zavisno od toga u kom se energetskom stanju nalazi jezgro-potomak, koje se deekscituje emisijom γ-zraka. Shodno tome, kao komplement spektru alfa-zračenja, postoji spektar γ-zraka .
Postoje radionuklidi koji ne emituju propratno gama-zračenje, kod kojih se raspad od jezgra-roditelja do jezgra-potomka događa između osnovnih energetskih stanja jezgara. To se odnosi na „čiste beta-emitere“, koji se ne mogu detektovati tehnikama gama-spektrometrije.
Ukoliko je vreme života jezgra u pobuđenom stanju merljivo, radi se o metastabilnom nuklidu, koji emituje gama-foton određene energije.[2] Primeri metastabilnih radionuklida su Tc-99m i Br-80m (radioaktivni obeleživači u medicinskoj dijagnostici), Co-60m (ima primenu u medicini kroz aktivacionu analizu[5]), Ba-137m (preko njega se detektuje Cs-137, koji se koristi kao kalibraciona supstanca za detektore radioaktivnog zračenja, u radijacionoj medicini itd.[6]).
Gama-spektroskopija koristi se i u ispitivanju geološke strukture i geomorfoloških procesa[7], nuklearnoj fuziji i fisiji, fizici visokotemperaturske plazme[8]. U oblasti astrofizike, koja se bavi i izvorima gama-zraka vrlo visokih energija, primenjuje se, na primer, u istraživanju galaktičke ravni Mlečnog puta[9] i tzv. blesaka gama-zraka[10].
Literatura
uredi- Gilmore, Gordon. (2008). Practical gamma-ray spectrometry (2nd ed). Chichester, England: Wiley. ISBN 9780470861981
- Choppin, Gregory R.,, Liljenzin, Jan-Olov,, Rydberg, Jan,, Ekberg, Christian. (2013). Radiochemistry and nuclear chemistry (4th ed). Oxford. ISBN 9780123978684
Reference
uredi- ^ a b v g d đ e Gilmore, Gordon. (2008). Practical gamma-ray spectrometry (2nd ed izd.). Chichester, England: Wiley. ISBN 9780470861981. OCLC 264615349.
- ^ a b v g d Choppin, Gregory R.,. Radiochemistry and nuclear chemistry. Liljenzin, Jan-Olov,, Rydberg, Jan,, Ekberg, Christian, (Fourth edition izd.). Oxford. ISBN 9780123978684. OCLC 859381735.
- ^ a b Macura, Slobodan (2004). Atomistika. Beograd: JP Službeni list SCG. ISBN 86-355-0627-8.
- ^ Debertin, Klaus. (1988). Gamma- and x-ray spectrometry with semiconductor detectors. Helmer, Richard G. Amsterdam: North-Holland. ISBN 0444871071. OCLC 18715402.
- ^ Kaiser, David (1960). „Activation-analysis of trace cobalt in tissue using 10.5-minute 60m-cobalt.” (PDF).
- ^ „CDC Radiation Emergencies | Radioisotope Brief: Cesium-137 (Cs-137)”.
- ^ Wilford, J. R. (1997). „Application of airborne gamma-ray spectrometry in soil/regolith mapping and applied geomorphology” (PDF).
- ^ Kiptilyj, Vasilij G. (1990-12). „Capabilities of Gamma Spectroscopy for Fast Alpha-Particle Diagnostics”. Fusion Technology (na jeziku: engleski). 18 (4): 583—590. ISSN 0748-1896. doi:10.13182/FST90-A29250. Proverite vrednost paramet(a)ra za datum:
|date=(pomoć) - ^ Weekes, Trevor C. (2003). Very high energy gamma-ray astronomy. Bristol: Institute of Physics Pub. ISBN 0750306580. OCLC 52357288.
- ^ Vedrenne, G. (2009). Gamma-ray bursts : the brightest explosions in the universe. Atteia, Jean-Luc. Berlin: Springer. ISBN 9783540390886. OCLC 567359142.