Применение изотопных генераторов для получения короткоживущих радионуклидов

2



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 - 137mBa. Схему распада можно представить следующим образом:



β - γ

137Cs - > 137mBa - > 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 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

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 - 137mBa. 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 137Cs). По высокой РНЧ и высокой активности (о ней можно судить по скорости счета), а так же по тому, что 137mBa 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 137Cs объясняется 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 (137mВа) =99,99%, а A (137Cs) =0,01%, тогда воспользуемся формулой связи массы радионуклида с его активностью.