放射性核素半衰期的测量

放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量1/7放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量黄莹1，张光捷1，董政1(1.四川大学物理科学与技术学院，四川成都610065)(2012141241055,201214122104，2012141481023）摘要：测量116mIn、108Ag、110Ag三种放射性核素的半衰期。将中子活化后的银片和铟片用塑料闪烁体探测器探测其产生的β射线，通过脉冲放大器、单道以及多道分析和多路定标器对所测数据进行分析，由拟合软件origin得到拟合曲线，计算实验得到的核素半衰期，并与理论值比较。关键词：中子活化；塑料闪烁体探测器；放射性；放射性核素半衰期TheMeasurementoftheHalf-lifePeriodoftheRadionuclidesHUANGYing1,ZHENGGuangjie1,DONGZheng1(1.Schoolofphysicalscienceandtechnology,SichuanUniv.,Chengdu610065,China)(2012141241055,2012141221045,2012141481023)Abstract:Thispapermeasuredthehalf-lifeperiodsof116mIn,108Ag,110Ag.RadionuclidesarecreatedbyusingAm-Beneutronsourceactivatesilverandindiumfilms.Weuseplasticscintillatordetectortodetecttheβ-rayemittedbytheRadionuclides,thenweusepulseamplifier,singlechannelanalyzer,multichannelanalyzerandmultiscalertoanalyzetheexperimentaldata.Theresultsarecalculatedbyorigin.Finallythispapercomparedtheexperimentalvaluewiththetheoreticalandexplainedsomeoftheerrors.KeyWords:neutronactivation,plasticscintillatordetector,radioactive,half-lifeperiodofradionuclides1、实验目的1）掌握放射性核素的半衰期（时、分量级）的测定方法。2）了解中子活化的基本知识。3）学会用多道分析器的多路定标功能测量衰变曲线的方法。测量116mIn、108Ag和110Ag的半衰期。2、实验内容1）用热中子活化样品，使其达到饱和放射性。2）用多道分析器和智能定标器测量实验样品的衰变曲线。3）用图解法求解样品的半衰期。4）用origin对所得数据进行拟合，求解实验样品的半衰期，并求解实验误差。3、实验原理3.1、Inm116、Ag108和Ag110样品的活化当用恒定的中子源照射薄样品时，样品的放射性强度按以下规律随时间增长：()(1)tAtNe(1)放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量2/7（3）（4）式中A(t)是在经过照射时间t后样品的放射性强度，为中子通量密度（即单位时间内通过1cm2样品的中子数），为中子对该样品的活化截面，N为样品中原子核的总数，为放射性核素的衰变常数。当t远大于半衰期时，放射性活度达到饱和，此时饱和放射性强度为()AN(2)一般情况下当t51/2T时，即可认为放射性活度达到饱和。3.1.1、铟的活化实验采用天然铟，经热中子活化后得到放射性的铟。天然铟的同位素丰度、活化截面及其活化后生成的放射性核素的半衰期见下表：同位素丰度113In(4.28%)115In(95.72%)活化后的核素114In114mIn116In116mIn中子活化截面3bar5bar47bar161bar半衰期71.9s50d14.2s54.1min天然的铟经热中子活化后，生成四种放射性核素，而我们要测量的只是Inm116放射性核素，因此必须控制好照射时间及测量条件，才能使其他放射性核素影响很小。由表可知，除了114mIn以外114In、116In半衰期相比116mIn短得多，因此在活化过后一段时间内即可衰变完，而114mIn半衰期相比116mIn又过长需要等上数月才能强度减少至1%不予以考虑。考虑到丰度和中子活化截面，114In、114mIn放射性强度均小于1%，只有116In影响较大，但是其半衰期较短，在放置6.6个半衰期，即约1.5min后，其强度下降为约1/27约1%以下。实验选择冷却时间为10min。3.1.2、银的活化实验采用天然银，经热中子活化后得到Ag108和Ag110。天然银由两种稳定同位素组成：51.35%的107Ag和48.56%的109Ag。它们俘获热中子后生成放射性的Ag108和Ag110。天然银的同位素丰度、活化截面及其活化后生成的放射性核素的半衰期见下表：同位素丰度107Ag(51.84%)109Ag(95.72%)活化后的核素108Ag108mAg110Ag110mAg中子活化截面36bar50.7bar87bar82.3bar半衰期2.4min418a24.57s249.79d衰变方程式如下：1081081/21101101/22.4min24.2AgCdTAgCdTs这样活化的银片内同时含有两种独立的放射性核素，因此试验中测到的衰变曲线上的放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量3/7计数率应该是两种放射性核素各自计数率之和。3.2、半衰期的测量半衰期是指放射性原子核数衰减到原来数目的一半所需的时间。半衰期是放射性核素的重要特征之一，每种放射性核素都有其特有的半衰期，所以可以通过测定不同核素的半衰期来鉴别放射性核素。关于放射性核素的一些具体应用也是在知道其半衰期以后才能正确使用它们。若实验条件不变，对同一种放射性核素，仪器所测的计数率随时间的变化为：ntn0ln()ln(0)tentnt（5）n(0)为开始测量时的计数率，它正比于开始时刻该放射源的放射性强度。n(t)为经过t时间后，在t时刻的计数率，它正比于t时刻该放射源的放射性强度。为衰变常数。由公式可以看出计数率的对数和时间是直线关系，斜率是。衰变常数与半衰期1/2T的关系为：1/2ln2T（6）由此可以得到半衰期1/2T。我们无法测得t时刻的计数率，测到的只能是某时间间隔21ttt内的计数N,然后由/Nt求得平均计数率n，n与n(t)的关系为：2121021211()()()ttttnnntdteetttt（7）如果将n看作为t*时刻的瞬时计数率n(t*),则可推得：121)21)(*021(121(0)1()11*ln()ttttttnenenettetttt(8)进一步化简2211*224tttt1/20.0289()tttT(9)当1/20.0289()tttT(10)时我们可以用n来表示212ttt时刻的瞬时计数率。4、实验仪器：中子源、智能定标器、塑料闪烁体探器、多道分析器以及实验所需要的样品。5、实验步骤：1）由已了解的中子活化的原理，选定合适的照射时间及照射位置，对116mIn、108Ag和110Ag进行照射。用钳子夹住放入中子源附近,受热中子辐照相应时间后取出。2）组建实验系统，连接实验仪器。设定好实验系统的高压和低压，将多路定标器和多道分析器均接计算机,由PC软件显示输出的数据。3）为降低电子学噪声所有仪器使用前需预热30min。由于单道阈值太小会使得电子学噪声的影响更加明显，即会引起本底增大。因此，在实验过程中，应根据多道分析器测量出的本底的能谱并结合多路定标器选择合适的阈值将阈值选在本底较小的值。放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量4/7(12)(13)测量Ag时一分钟本底计数如下图所示：我们认为白色由电子学噪声引起调整单道阈值使得每分钟的读数与红色光点读数近似为每分钟900左右。测量In时一分钟本底计数如下图所示：同上每分钟的读数为200左右4）将活化后的样品放在探测器中，测量116mIn、108Ag和110Ag三种核素的放射性。根据实际要求选择合适的测量时间及间隙等待时间，并选择好相应的参数，主要包括“道数”“道宽”等。Ag活化时间为12min，活化结束应立即测量。每道测量时间为6s，测量10min（100道）。In活化时间我们选择4h,活化结束后应冷却10min后进行测量。每道测量时间为1min，测量200min（200道）。5）整理实验仪器完成清洁。保存数据,并关闭电源,整理实验仪器,打扫实验台,并将样品放回器皿中保存好。6）数据的处理和分析，用origin拟合得到一定误差允许范围内的实验样品的半衰期。6、结果分析及数据处理：6.1、108Ag和110Ag的半衰期测量的结果6.1.1、原始实验结果：6.1.2、未去除本底：拟合函数：30.775.07168.66388.6862.44xxyee(11)所以108Ag的半衰期：1/2((30.771377.05069)*6*ln2)/60(2.1320.488)minT偏差：2.1322.411.1%2.4110Ag的半衰期1/2((5.068120.60749)*6*ln2)/60(21.0772.526)Ts(14)放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量5/7(16)(17)(18)偏差：21.07724.212.9%24.26.1.2、去本底后：拟合函数：30.775.09168.66388.6822.558xxyee108Ag的半衰期及偏差：1/2(5.088120.60749)*6*ln2(21.1602.526)21.16024.212.5%24.2Ts110Ag的半衰期及偏差：1/2((30.771447.05072)*6*ln2)/60(2.1320.488)min2.1322.411.1%2.4T6.2.1、116mIn的半衰期测量的结果6.2.1、原始实验结果：6.2.2、未去除本底：拟合函数：77.5232879.911121.315xye(15)116mIn的半衰期：1/2(77.52291.43763)*ln2(53.7340.996)minT(16)偏差：53.73454.10.6%54.1(17)(15)放射性核素（116mIn、108Ag、110Ag）半衰期的测量6/76.2.2、去本底（实验前本底）后：拟合函数：77.5232879.91274.68456xye(18)116mIn的半衰期：1/2(77.52291.43763)*ln2(53.7340.996)minT(19)偏差：53.73454.10.6%54.1(20)6.2.3、去本底（实验后本底）后拟合函数：77.5232879.912103.68456xye(21)半衰期：1/2(77.52291.43763)*ln2(53.7340.996)minT(22)偏差：53.73454.10.6%54.1(23)6.3、误差分析6.3.1、误差主要来源：主要的来源于统计误差，包括：放射源活度的统计涨落，环境本底的统计涨落，多路定标器定时精度的统计涨落；在使用Origin软件拟合曲线时也会产生一定的拟合误差。另外，仪器的预热时间不足和探测器对γ的响应以及γ与物质相互作用产生的电子也会造成误差。6.3.2、消除误差的主要方法：(1对每个实验点