KJM 5900 Oppgave 5 - Nøytronaktivering av sølv

• Neutron Source
• Thermal Neutrons
• Neutron Activiation
• In-Gowth Time
• Silver Isotopes
  

Nøytronkilden

I dette forsøket skal vi benytte oss av en nøytronkilde. De består av berylliummetall på pulverform blandet med en 450 GBq (12 Ci) ²³⁸Pu kilde, som er en alfa-emitter. alfa-partiklene treffer berylliumkjernene og vi får kjernereaksjonen:

Kilden sender ut 3×10⁷ nøytroner per sekund. Vi ønsker som regel å vite hvor mange nøytroner som treffer targetet vårt, dette angir vi i antall nøytroner som sendes ut per flate- og tidsenhet. Vi snakker gjerne om en gitt nøytronfluks. Nøytronene som blir frigitt, har en middelenergi på 4-5 MeV og kalles hurtige nøytroner.

Termalisering av nøytroner

Nøytronene med en middelenergi på ca. 0,025 eV har en bevegelseshastighet tilsvarende molekylene i en gass ved 25°C. Slike nøytroner kalles termiske nøytroner. Nøytroner med så lav energi, har stor sannsynlighet for å bli fanget inn av de fleste atomkjerner. Derfor ønsker vi å termalisere nøytronene fra nøytronkilden.

Siden nøytroner ikke har elektrisk ladning, taper de heller ikke energi ved ionisasjon. De kan imidlertid støte mot kjerner og dermed tape kinetisk energi. Fra støtkinetikk kan det vises at mest energi blir overført når to legemer med samme masse støter sammen. Materialer med høyt hydrogeninnhold, som vann og parafin, er derfor gode moderatorer for nøytroner.

På grunn av støtene, vil termiske nøytroner bevege seg i alle retninger. Vi kan derfor betrakte dem som en gass som fyller moderatoren, men som har avtagende tetthet med økende avstand fra nøytronkilden.

Nøytronaktivering

Plasseres et grunnstoff med en isotop M i en fluks av termiske nøytroner, vil nøytronene ofte forårsake kjernereaksjoner av typen:

Vi får dannet en isotop av grunnstoffet med ett massetall større enn den opprinnelige. Siden nøytrontallet endres, kan den dannede isotopen være radioaktiv.

Kjernereaksjonen:

skrives normalt komprimert som:

n står for et nøytron og den greske bokstaven gamma står for et gammakvant.

Dannelseshastigheten (F) er et produkt av nøytronfluksen (Φ), antallet kjerner av det aktuelle slaget som utsettes for denne fluksen (N_T, hvor T står for Target) og nuklidens reaksjonstverrsnitt (σ) for den bestemte kjernereaksjonen. Reaksjonstverrsnittet er et mål for reaksjonssannsynligheten, og er avhengig av kjernens indre oppbygning. Vi får dermed:

(1)

= antallet kjerner omvandlet pr. tidsenhet

= antallet kjernereaksjoner pr. tidsenhet

Dersom nukliden som dannes er radioaktiv og desintegrerer med desintegrasjonskonstant lamda, vil følgende differensiallikning gjelde:

(2)

Dette er et uttrykk for forandringen i antall nuklider av ^A1M som en til en hver tid har. Løsningen av (2) gir:

(3)

Der N₀ er antallet av den aktuelle nukliden ved bestrålingstidens slutt.

Siden aktiviteten A = lamda x N så kan vi skrive

(4)

Siden den dannede nukliden er radioaktiv vil antall dannede nuklider etter bestrålingstidens slutt avta. Etter en tid t vil desintegrasjonshastigheten derfor være gitt ved:

(Legg merke til bruken av t i denne sammenhengen: t står for tiden etter bestrålingstidens slutt, gresk tau betegner bestrålingstiden, mens en stor T som indeks betyr target.)

Av (2) ser vi at for T >> T_1/2, er den maksimalt oppnåelige desintegrasjonshastigheten D_∞ = σΦN_T. Denne tilstanden kalles metning. Metningen beregnet som funksjon av bestrålingstiden gir følgende resultat:

Vanligvis brukes følgende måleenheter:

• phi :Fluks i nøytroner cm^-2s^-1 (evt m^-2s^-1).
• sigma : Tverrsnitt i cm² (m²) eller barn. 1 barn = 10^-24cm² (10^-28m²)
• N_T : Antall atomer i target
• _A0 : Desintegrasjonshastighet ved bestrålingstidens slutt (i Bq eller dpm).

Sølvisotoper

Dere skal bestråle en sølvplate i forskjellige tider. Desintegrasjonskurvene for de aktiverte sølvplatene skal så bestemmes (på samme måte som for ^234mPa i laboppgave C).

Ved å analysere desintegrasjonskurvene skal tellehastighetene ved bestrålingstidens slutt bestemmes og inngroingskurven tegnes opp.

Grunnstoffet sølv består av to isotoper: ¹⁰⁷Ag (51,83%) og ¹⁰⁹Ag (48,17%). Når naturlig sølv bestråles med termiske nøytroner, er følgende kjernereaksjoner mulige: