Bugün öğrendim ki: İnsan vücudu doğal olarak radyoaktif potasyum-40 içerir; bu madde, elektronlarla etkileşime girdiğinde gama ışınları oluşturan pozitronlar üretir. Günde vücudumuzda 340 gama ışını patlaması meydana gelir.
Neyi gösterir:
Gama ışını spektroskopisi, insan vücudunda bulunan eser miktardaki radyoaktif potasyum-40'ı tespit etmek için kullanılır. Bir NaI(Tl) sintilasyon dedektörü, çok kanallı bir darbe yüksekliği analizörü (PHA) ile birlikte kullanılarak insan vücudundan kaynaklanan 1,46 MeV'lik gamalar tespit edilir. Bu gamaların kaynağı, 1,26 milyar yıllık yarı ömrü olan ve vücut içindeki ana radyoaktivite kaynağı olan K-40'tır. Vücuttaki en aktif ikinci radyonüklid olan karbon-14 (5.730 yıl yarı ömürlü), bir beta yayıcı olduğu için bu cihazla tespit edilemez.
Nasıl çalışır:
"Her 10.000 radyoaktif olmayan potasyum atomu için 1,2 adet radyoaktif 40K atomu bulunur. 70 kg ağırlığındaki bir yetişkinde yaklaşık 140 g potasyum vardır ve bunun 0,0169 gramı 40K izotopundan oluşur. Bu 40K miktarı, dakikada 266.000 atom hızında bozunur. Her 100 bozunmanın 89'u 1,33 MeV maksimum enerjili beta parçacıklarının, 11'i ise 1,46 MeV enerjili gama fotonlarının salınımıyla sonuçlanır. Beta parçacıklarının tamamı ve gama ışınlarının yaklaşık yüzde 50'si vücut tarafından soğurulur; bu da beta parçacıklarından yıllık 16 mrad, gama ışınlarından ise 2 mrad doz sağlar." 1 Dolayısıyla, 1,46 MeV'lik gamaların yaklaşık 14.600/dakikası tüm vücuttan her yöne doğru çıkar. Biz yaklaşık 34 sayım/dakika tespit ederiz. 2 Çok düşük sayım hızı nedeniyle, dedektörü diğer doğal arka plan radyasyonlarından korumak (bu tartışmanın sonundaki "Daha İleri" bölümüne bakınız) ve hayali olarak kabul edilmeyecek şekilde istatistiksel arka planın önemli ölçüde üzerinde bir sinyal üretmek için yeterince uzun süre sayım yapmak adına büyük bir çaba sarf etmek gerekir.
Sintilasyon dedektörü, 1200 librelik büyük bir demir silindir ile zırhlanmıştır. 3 Bu silindir sadece deneyin büyük kısmını oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda çok önemlidir ve oldukça benzersizdir: aslında II. Dünya Savaşı'ndan kalma bir donanma gemisinin topundan kesilmiş bir parçadır. Yapıldığı demir oldukça eski olduğundan, kalın (13 cm) duvarları düşük seviyeli sayım için gerekli olan mükemmel bir radyasyon kalkanı (doğal radyasyonu düşük) sağlar.
Aşağıda, Canberra çok kanallı darbe yüksekliği analizöründen (PHA) iki görüntü gösterilmiştir. Birincisi, bir Cs-137 kalibrasyon spektrumudur. İkincisi, dedektörün önünde 10 dakika oturan bir kişiden alınan bir K-40 spektrumudur; imleç tepe noktasında 17 sayım göstermektedir.
Kurulum:
Herhangi bir PHA ve regüle edilmiş yüksek voltaj güç kaynağı (HVPS) iş görecektir. Şu anda, uygun bir şekilde dahili HVPS'ye ve ekran bilgilerinin izleyiciler tarafından büyük bir monitörde veya video projektöründe görüntülenebilmesi için bir video çıkışına sahip olan bir Canberra (Seri 20) Çok Kanallı Analizör kullanıyoruz. Aşağıdaki ayarlar size kurulumda hızlı bir başlangıç sağlayacak ve ince ayar yapılabilecektir:
HVPS: Fotomultiplier tüpünde +900 volt sapma
Amplifikatör girişi: pozitif
Amplifikatör kazancı: 4
ADC kazancı: 1024
LLD: %2
Bellek boyutu: sekizde bir (512 kanal)
Elektronikler ısındıktan (ve fazla sapma yapmayacak hale geldikten) sonra bilinen bir radyoaktif kaynakla bir enerji kalibrasyonu yapılmalıdır. Dedektör çözünürlüğümüz yaklaşık 80 KeV FWHM'dir. Bir Co-60 kaynağı uygundur çünkü 1,173 ve 1,332 MeV'deki iki tepe noktası K-40 çizgisine (1,458 MeV) yakındır. Bir Cs-137 (0,662 MeV) veya Na-22 (0,511 MeV) kaynağı ya da herhangi bir kaynak kombinasyonu da iş görür. Enerji kalibrasyonu yapıldıktan sonra imleç konumu doğrudan MeV cinsinden okunacaktır, böylece spektrumun herhangi bir tepe noktası veya parçası bir enerji ölçeğinde tanımlanabilir. Bu noktada, K-40 tepe noktasının seçilen bellek boyutunun (tipik olarak = 512 kanal) enerji ölçeğine düşeceğinden emin olun; eğer düşmezse, 1,46 MeV çizgisinin ölçekte olması için amplifikatör kazancına ince ayar yapın. Elbette enerji ölçeğini yeniden kalibre etmeniz gerekecektir.
Bir öğrencinin demir kalkanın önünde oturmasını sağlayın. Sayım hızı düşük olduğundan, spektrum toplama süresi uzundur (≈17 dk.), bu nedenle veri toplanırken ders anlatmaya devam etmeyi planlayın. PHA imleci, K-40 tepe noktasını tanımlamak için kullanılır. 1000 saniyelik sayım, yaklaşık 31 sayım yüksekliğinde bir tepe noktası ve yaklaşık 560 toplam olay (tepe noktasındaki entegre sayımlar) verecektir.
Yorumlar:
Alternatif (veya ek) bir deney, dedektörün önüne bir No Salt® (tuz alternatifi) kabı koymaktır. Bir tuz alternatifi olarak ana maddesi potasyum klorürdür ve büyük (311 g) bir kap, birkaç dakika içinde ikna edici bir K-40 tepe noktası üretecektir. Elbette (dost canlısı kimya göstericinizden ödünç aldığınız) bir potasyum kavanozu çok daha yüksek bir sayım hızı verecektir, ancak bu durum gösterinin amacından uzaklaşmaktır; amaç, izleyiciyi hemen hemen her şeyin, hatta kendi vücudunuzun bile bir dereceye kadar radyoaktif olduğu konusunda etkilemektir.
Daha İleri:
Bu gösteri deneyiyle yakından ilgili olan bir diğer konu, çimento zemin, tuğla duvarlar gibi sıradan kaynaklardan gelen "oda arka planı" gama ışını spektrumu ve dedektörün kendisinde meydana gelen olaylar ve etkileşimlerdir. Bu tür doğal arka plan spektrumu da (kalkan olmadan!) ölçülebilir ve bir ders süresince gösterilebilir. Tepe noktalarının çoğu (hepsi değilse bile), potasyum-40'ın bozunmasıyla veya uranyum serisinin elementlerinden biriyle ya da toryum serisinin elementlerinden biriyle ilişkilendirilebilir. Mevcut diğer tepe noktaları, 1,022 MeV'yi aşan enerjilere sahip gama ışınlarının dedektör içindeki çift oluşumu ve ardından çiftin pozitron üyesinin yok olmasıyla ilişkili 511 KeV'lik gamaların birinin veya her ikisinin kaçması sonucudur.
Çok okunabilir ve eksiksiz bir kitap G.F. Knoll'un "Radiation Detection and Measurement", 2. baskı (John Wiley & Sons, N.Y., 1989) adlı eseridir. Önerilen diğer referanslar "Chart of the Nuclides", 13. baskı (General Electric Nuclear Energy Operations, San Jose CA, 1984) ve E. Mateosian ve M. McKeown tarafından hazırlanan eski bir ABD Atom Enerjisi Komisyonu yayını olan "Table of Gamma-Rays Emitted by Radioactive Nuclei" (Brookhaven National Lab, Upton N.Y., 1960) olup, Office of Technical Services, Department of Commerce, Washington 25, D.C.'den temin edilebilir.