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 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 I_n =I-I_ф; LnI_n .

Таблица № 1.

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 m} Ba. 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 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 -I_к ) / 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.