Уральский Государственный Технический Университет - УПИ
Кафедра Радиохимии
Лабораторная работа № 17:
“Применение изотопных генераторов
для получения короткоживущих радионуклидов”
2008 г.
Цель работы
:
Применение изотопных генераторов для получения короткоживущих радионуклидов.
Теоретическая часть:
Для многих прикладных радиохимических целей удобнее применять короткоживущие радионуклиды с периодами полураспада от нескольких минут до нескольких часов. Однако эффективное применение таких изотопов вдали от места их образования (реактор, ускорители) возможно лишь в таких случаях, когда нужный радионуклид является дочерним продуктов другого радионуклида с большим периодом полураспада. Из материнского радионуклида приготовляют "изотопный генератор", который позволяет многократно получать короткоживущий дочерний радионуклид, отделяя его химически от материнского изотопа. Активность дочернего радионуклида при получении его в данный момент из генератора можно определить по формуле:
(1)
где a2
- активность дочернего радионуклида, находящегося в генераторе в данный момент; a01
- начальная активность материнского радионуклида в момент зарядки генератора или в момент начала отсчета времени; t - время, прошедшее с начала отсчета до настоящего момента; т - время, прошедшее с момента предыдущего отделения дочернего радионуклида от генератора до настоящего времени (предполагается, что при этом дочерний радионуклид удаляется полностью): λ1
и λ2
- постоянные распада соответственно материнского и дочернего радионуклидов. После отделения дочернего радионуклида его активность в генераторе возрастает со временем по законам накопления дочерней активности и достигает максимума, а затем убывает в соответствии с формулой (1).
В момент времени, отвечающий максимуму активности дочернего радионуклида, А2
= А1
. В дальнейшем отношение А2
/А1
возрастает со временем и стремится к предельному значению.
В большинстве случаев изотопный генератор представляет собой колонку, заполненную специально подобранным веществом (насадкой), в верхней части которой фиксирован материнский нуклид. Пропуская через колонку вымывающий раствор, отделяют накопившийся дочерний короткоживущий радионуклид и получают его препарат. Одним из примеров изотопного генератора служит устройство, включающее генетическую пару 137
Cs - 137
m
Ba. Схему распада можно представить следующим образом:
β -
γ
137
Cs - > 137
m
Ba - > 137
Ba
Т = 30 лет Т= 2.54 мин
Предельное отношение (А2
/А1
) пред
. для данной генетической пары практически равно единице, т.к λ2
>>λ1
. Поскольку период полураспада материнского нуклида достаточно велик, то изотопный генератор Ва-137 может служить длительное время без существенного изменения своих радиохимических характеристик. В качестве насадки для фиксации Cs-137 обычно используют высокоспецифичные к цезию неорганические сорбенты, например, ферроцианиды тяжелых металлов, и, в частности, ферроцианид никеля - калия.
Структура и сорбционные свойства ферроцианидов более подробно рассмотрены в рекомендуемой литературе. Ва-137 обычно выделяют растворами солей бария, которые используют для получения меченого сульфата бария.
Вымывание бария из ферроцианида никеля - калия можно осуществлять также растворами кислот или солей натрия, калия, кальция и др. Частичное вымывание возможно и при промывании водой.
Практическая часть
:
1. Через изотопный генератор пропускаем 15 мл соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л.
2. Измеряем скорость счета в течении 30 мин (первые 5 мин с интервалом 30 с после через 1 мин). Опыт проводим дважды. Данные заносим в таблицу № 1. Рассчитываем In
=I-Iф;
LnIn
.
Таблица № 1.
| t | I1
|
I2
|
Iп1
|
Iп2 | LN In1 | LN In2 |
| 0 | 48882 | 49335 | 48613 | 49066 | 10,79 | 10,80 |
| 0,5 | 42834 | 41904 | 42565 | 41635 | 10,66 | 10,64 |
| 1 | 37556 | 37206 | 37287 | 36937 | 10,53 | 10,52 |
| 1,5 | 33283 | 32775 | 33014 | 32506 | 10,40 | 10,39 |
| 2 | 28899 | 28732 | 28630 | 28463 | 10,26 | 10,26 |
| 2,5 | 25583 | 24828 | 25314 | 24559 | 10,14 | 10,11 |
| 3 | 22417 | 22247 | 22148 | 21978 | 10,01 | 10,00 |
| 3,5 | 19891 | 19510 | 19622 | 19241 | 9,88 | 9,86 |
| 4 | 17252 | 16959 | 16983 | 16690 | 9,74 | 9,72 |
| 4,5 | 15353 | 14897 | 15084 | 14628 | 9,62 | 9,59 |
| 5 | 13194 | 12969 | 12925 | 12700 | 9,47 | 9,45 |
| 6 | 10454 | 9943 | 10185 | 9674 | 9,23 | 9,18 |
| 7 | 7968 | 7921 | 7699 | 7652 | 8,95 | 8,94 |
| 8 | 6182 | 6039 | 5913 | 5770 | 8,68 | 8,66 |
| 9 | 4814 | 4614 | 4545<
/td>
4345 |
8,42 |
8,38 |
|
| 10 | 3660 | 3674 | 3391 | 3405 | 8,13 | 8,13 |
| 11 | 2816 | 2840 | 2547 | 2571 | 7,84 | 7,85 |
| 12 | 2310 | 2362 | 2041 | 2093 | 7,62 | 7,65 |
| 13 | 1772 | 1807 | 1503 | 1538 | 7,32 | 7,34 |
| 14 | 1475 | 1462 | 1206 | 1193 | 7,10 | 7,08 |
| 15 | 1259 | 1247 | 990 | 978 | 6,90 | 6,89 |
| 16 | 1010 | 971 | 741 | 702 | 6,61 | 6,55 |
| 17 | 870 | 847 | 601 | 578 | 6,40 | 6,36 |
| 18 | 747 | 715 | 478 | 446 | 6,17 | 6,10 |
| 19 | 650 | 620 | 381 | 351 | 5,94 | 5,86 |
| 20 | 533 | 534 | 264 | 265 | 5,58 | 5,58 |
| 21 | 538 | 501 | 269 | 232 | 5,60 | 5,45 |
| 22 | 493 | 491 | 224 | 222 | 5,41 | 5,40 |
| 23 | 447 | 470 | 178 | 201 | 5,18 | 5,30 |
| 24 | 438 | 459 | 169 | 190 | 5,13 | 5,25 |
| 25 | 383 | 431 | 114 | 162 | 4,74 | 5,09 |
| 26 | 396 | 381 | 127 | 112 | 4,85 | 4,72 |
| 27 | 380 | 380 | 111 | 111 | 4,71 | 4,71 |
| 28 | 345 | 365 | 76 | 96 | 4,34 | 4,57 |
| 29 | 313 | 328 | 44 | 59 | 3,79 | 4,08 |
| 30 | 373 | 325 | 104 | 56 | 4,65 | 4,03 |
3. Построим график зависимости LnIn
от t для обоих опытов.
Рисунок № 1. График зависимости LnIn
от t для Опыта № 1.
Рисунок № 2. График зависимости LnIn
от t для Опыта № 2.
4. Методом наименьших квадратов рассчитаем скорость счета короткоживущего радионуклида на момент выделения и период полураспада для первого опыта.
Уравнение прямой:
y= 10,67 - 0,259x.
В данном уравнении величина 10,67 есть LnI0
, следовательно скорость счет на момент выделения равна:
I0
=Exp (10,67) = 47741 имп/10 с
Коэффициент регрессии - λ, следовательно период полураспада равен:
T1/2
=Ln (2) / λ= 2,67 мин
Погрешность в определении λ равна 0,001 следовательно для периода полураспада равна:
Δ T1/2
=0,01
5. Методом наименьших квадратов рассчитаем скорость счета короткоживущего радионуклида на момент выделения и период полураспада для второго опыта.
Уравнение прямой:
y= 10,76 - 0,261x.
В данном уравнении величина 10,67 есть LnI0
, следовательно, скорость счет на момент выделения равна:
I0
=Exp (10,76) = 47269 имп/10 с
Коэффициент регрессии - λ, следовательно период полураспада равен:
T1/2
=Ln (2) / λ= 2,66 мин
Погрешность в определении λ равна 0,001 следовательно для периода полураспада равна:Δ T1/2
=0,01
6. Рассчитаем РНЧ для обоих опытов.
РНЧ= (I0
-Iк
) / I0
РНЧ1
= (47741-373) *100%/ 47741=99,78%
РНЧ2
= (47269-325) *100%/ 47741=99,88%
Вывод
В ходе данной лабораторной работы мы получили навык работы с изотопным генератором. Рассчитали скорость счета короткоживущего радионуклида на момент выделения (I01
=47741; I02
=47269) и период полураспада (T1/2 1
=2.67±0.01; T1/2 2
=2.66±0.01). По периоду полураспада можно судить о том, что данный радионуклид - 137
m
Ba. Так же рассчитали РНЧ1 (
99,78%) и РНЧ2
(99,88%), полученные значения РНЧ подтверждаются графиками зависимости LnIn
от t (скорость счета LnIn
недостигает нуля, это связано с наличием 137
Cs). По высокой РНЧ и высокой активности (о ней можно судить по скорости счета), а так же по тому, что 137
m
Ba мы можем получить по истечении 10 периодов полураспада можно сказать, что мы применяли изотопный генератор. Погрешность в определении периода полураспада связана с неточностью оборудования (секундомера), а так же с неточностью проведения опыта.
Ответы на коллоквиум
:
1. Высокая селиктивность ферроцианида никеля-калия к 137
Csобъясняется тем что, сорбент имеет подходящую кристаллическую решетку, так же К и Cs оба являются щелочными металлами, оба катионы так же у них близкие химические свойства.
2. РНЧ= (I0
-Iк
) / I0
= 99,99%
Можно предположить, что A (137
m
Ва) =99,99%, а A (137
Cs) =0,01%, тогда воспользуемся формулой связи массы радионуклида с его активностью.