Применение изотопных генераторов для получения короткоживущих радионуклидов

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 ¹³⁷Cs - ¹³⁷^mBa. Схему распада можно представить следующим образом:

β^-γ

¹³⁷Cs - > ¹³⁷^mBa - > ¹³⁷Ba

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 I_n=I-I_ф;LnI_n.

Таблица № 1.

t	I₁	I₂	I_п1	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	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 LnI_n от t для обоих опытов.

Рисунок № 1. График зависимости LnI_n от t для Опыта № 1.

Рисунок № 2. График зависимости LnI_n 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:

T_1/2=Ln (2) / λ= 2,67 мин

Погрешность в определении λ равна 0,001 следовательно для периода полураспада равна:

Δ T_1/2=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:

T_1/2=Ln (2) / λ= 2,66 мин

Погрешность в определении λ равна 0,001 следовательно для периода полураспада равна:Δ T_1/2=0,01

6. Рассчитаем РНЧ для обоих опытов.

РНЧ= (I₀-I_к) / 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 (T_{1/2 1}=2.67±0.01; T_{1/2 2}=2.66±0.01). По периоду полураспада можно судить о том, что данный радионуклид - ¹³⁷^mBa. Так же рассчитали РНЧ_{1 (}99,78%) и РНЧ₂ (99,88%), полученные значения РНЧ подтверждаются графиками зависимости LnI_n от t (скорость счета LnI_n недостигает нуля, это связано с наличием ¹³⁷Cs). По высокой РНЧ и высокой активности (о ней можно судить по скорости счета), а так же по тому, что ¹³⁷^mBa 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 ¹³⁷Csобъясняется 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-I_к) / I₀= 99,99%

Можно предположить, что A (¹³⁷^mВа) =99,99%, а A (¹³⁷Cs) =0,01%, тогда воспользуемся формулой связи массы радионуклида с его активностью.