B.2.1 Radioaktivitet Øvelsens pædagogiske rammer Sammenhæng Denne øvelse knytter sig til fysikundervisningen på modul 6 ved Bioanalytikeruddannelsen. Fysikundervisningen i dette modul har fokus på nuklearmedicin i hvilken sammenhæng radioaktivitet er central, hvilket betyder, at øvelsen er relevant for såvel den teoretiske som den kliniske praksis. Formål Formålet med øvelsen er at Øve praktiske færdigheder i forhold til at arbejde med radioaktivitet og udstyr til måling af stråling fra radioaktive kilder Få praktiske erfaringer med dele af den teoretiske fysikundervisning. Arbejdsform Det forventes at vejledningen er læst inden udførelse af øvelsen og at eventuelle spørgsmål ligeledes er afklaret med fysikunderviseren inden øvelsens udførelse Øvelsen udføres i laboratoriet under vejledning af laboratoriepersonalet. Øvelsen laves i grupper af to til tre personer. Holdet sammensætter selv maksimalt 6 grupper. Hver øvelsesgruppe udformer en rapport/journal, som rettes og skal godkendes af fysikunderviseren/laboratoriepersonalet. Det er obligatorisk at lave øvelsen. Såfremt der er knyttet yderligere obligatoriske aktiviteter til øvelsen, vil det fremgå af modulets prøvekriterier. Evaluering Øvelsesforløbet evalueres ved at måleresultater og erfaringer inddrages i den teoretiske undervisning. Ved evaluering af rapporten/journalen vil der være specielt fokus på at det faglige indhold er korrekt diskussionen
B.2.2 Øvelsesvejledning Mål Øvelsens mål er at Bestemme blys halveringstykkelse overfor stråling fra -skolekilden. Bestemme halveringstiden for 137m Ba. Litteratur Møller V. og Møller, E. ADDA/ADACT -vejledning. VIA University College Bioanalytikeruddannelsen. August 2010. Møller V. og Møller, E. LabQuest-vejledning. VIA University College Bioanalytikeruddannelsen. August 2010. Powsner R. A., og Powsner E. R. Essentials of Nuclear Medicine Physics. Blackwell Publishing Forskningscenter Risø Hevesy Laboratoriet. Leverandørbrugsanvisning for Risø Demonstrationskilder http://net.biolyt.dk/index.php?sid=817 Sikkerhed De radioaktive kilder der anvendes ved øvelsen er tilladt at bruge i folkeskolen og der derfor ikke udtalt farlige, især ikke hvis de bruges med omtanke. Tænk altid på ATA reglerne når du skal arbejde med radioaktive kilder. Konkret for denne øvelse vil det eksempelvis betyde, at du skal forsøge at holde størst mulig afstand til kilderne og begrænse den tid, hvor du skal i kontakt med kilderne. Ifm. eluering af isotopgeneratoren følges den vejledning, der fulgte med generatoren. NB. De radioaktiver kilder forefindes normalt i et aflåst skab og udleves ved henvendelse til Vibeke Møller, Kirsten Jespersen eller Annette Mortensen. Når kilderne ikke er i brug, placeres de således, at deres stråling ikke påvirker detektorerne. Teori Dødtid Såvel scintillationsdetektoren som Geiger Müllerrøret (GM-røret) er karakteriseret ved en dødtid. Dødtid betyder at instrumentet i en kort periode ikke er i stand til at registrere stråling.
B.2.3 GM-røret og type 1 dødtid GM-rørets dødtid,, er en såkaldt type 1 dødtid, som eksperimentelt kan bestemmes ved at måle på to kilder samlet og hver for sig, og efterfølgende anvende nedenstående formel 1, som ikke vil blive gennemgået i detaljer, men er medtaget til glæde for de, som gerne vil se den. q p 1 1 r b 2 hvor r b er baggrund r p r 1 r2 r12 1 r2 rb r12 p q q r b 1 r2 r12 r r1 r2 r1 r12 r2 r12 Formel 1 Når dødtiden er bestemt eller kendes på anden vis, kan de målte tællehastigheder korrigeres, hvilket betyder at man beregner den tællehastighed der ville have været, hvis GM-røret havde kunnet måle hele tiden. Den dødtidskorrigerede tællehastighed, R, er med andre ord større end de målte, og kan beregnes efter nedenstående Formel 2 r R Formel 2 1 r Eksempel 1: På det GM-udstyr der anvendes ved øvelsen står der at dødtiden er < 150 s, hvorfor vi sætter =150 s. Lad os antage at vi ved måling bestemmer en tællehastighed, r, på 500 cps. Ud fra denne værdi kan vi vha Formel 2 bestemme den dødtidskorrigerede tællehastighed til: 500cps R 541cps 6 1 500cps 150 10 s Den dødtidskorrigerede tællehastighed skal evt. efterfølgende korrigeres for baggrundsstråling. Hvis vi skal prøve at forstå hvorfor GM-røret har en dødtid, kan vi se lidt nærmere på hvorledes en enkelt registrering foregår. Når en ioniserende stråle vekselvirker med et GM- rør, vil der opstå en fuldstændig ionisation af al gassen i røret. I den tid, hvor gassen er ioniseret, vil detektoren ikke være i stand til at registrere ioniserende stråling, fordi det kræver noget mere energi at ionisere de ioniserede gasatomer. Den tid hvor gassen er ioniseret er netop dødtiden. I løbet af dødtiden bevæger de ioniserede gasatomer sig over til katoden for at hente en elektron, for atter at blive ikke-ioniseret og i stand til at registrere ioniserende stråling.
Målt tællehastighed/cps Fysik øvelse 2 B.2.4 I forhold til de anvendte GM-rør betyder det, at hver gang der sker en registrering går der 150 s inden en ny registrering kan finde sted. Scintillationsdetektoren og type 2 dødtid Scintillationsdetektorens dødtid er anderledes en GM-rørets type dødtid, hvorfor scintillationsdetektorens dødtid benævnes en type 2 dødtid. Fælles for type 1 og type 2 dødtid er, at det er en fast værdi, som er karakteristisk for et givet måleinstrument. Forskellen på en type 1 og en type 2 dødtid er, at et GM-rør er dødt i et fast tidsrum efter én registrering, mens den periode, hvor en scintillationsdetektor er død (=dødtidsperioden) er afhængig af tællehastigheden. Hvis en scintillationsdetektor udsættes for en lille mængde elektromagnetisk stråling er dødtidsperioden omtrent lig dødtiden, men efterhånden som strålingsmængden øges bliver dødtidsperioden større end den karakteristiske type 2 dødtid. Fænomenet kan tilskrives at elektronikken efter en registrering, skal genoplades, og hvis der under genopladningen kommer en ny scintillation vil den ikke kunne registreres.samtidig vil lysglimtet betyde at genopladningen af elektronikken må starte forfra. Forskellen på en type 1 og type 2 dødtid er mest markant ved meget høje tællehastigheder, hvilket er illustreret i Figur 1 herunder. 10000 Effekt af dødtid 8000 6000 4000 2000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Reel tællehastighed/cps R r-type 1 r-type 2 Figur 1 Forskellen på type 1 og type 2 dødtid. Scintillationsdetektorens type 2 dødtid kan bestemmes ved at måle på to kilder samlet og hver for sig og efterfølgende anvende nedenstående Formel 3, som ligeledes er medtaget til glæde for de, der gerne vil se den. 2r12 r1 r2 ln Formel 3 2 r r r12 1 2
B.2.5 Sammenhængen mellem den målte tællehastighed og den dødtidskorrigerede tællehastighed, R, er givet ved Formel 4. R r R e Formel 4 R lader sig ikke umiddelbart isolere fra formel 4, så en tilnærmet Formel 5 herunder kan bruges som approksimativ løsning. Er det relative dødtidstab,, se Formel 6, større end cirka 10 % skal Formel 5 dog bruges med forbehold. r R 1 r r 2 2 Formel 5 R r 100% r Formel 6 Den dødtidskorrigerede tællehastighed beregnet efter Formel 5 skal korrigeres for baggrund. Dødtiden for institutionens scintillationsdetektorer antages at være 100 s, hvilket er lidt højt for den type udstyr. Eksempel 2: =100 s. Lad os antage at vi ved måling bestemmer en tællehastighed, r, på 500 cps, kan vi vha Formel 5 bestemme den dødtidskorrigerede tællehastighed til: 1 500 cps 100 10 500 cps R 6 2 6 s 500 cps 100 10 s 2 527 cps Den dødtidskorrigerede tællehastighed skal evt. efterfølgende korrigeres for baggrundsstråling. Isotopgeneratoren Cs-137/Ba-137m isotopgeneratoren er en ionbytterkolonne, hvorpå der er påført 9 Ci Cs-137. Når Cs-137 henfalder dannes Ba-137m, som igen vil henfalde til Ba- 137. Ved eluering vil såvel Ba-137m som Ba-137 elueres, mens Cs-137 forbliver på kolonnen. Når en vis mængde Ba-137m er elueret af kolonnen vil der gendannes Ba- 137 og efterhånden vil der opstå en ligevægt på kolonnen, således at den mængde Ba-137m der dannes udfra Cs-137 tilsvarer den mængde Ba-137m der forsvinder ved -henfald. Ved ligevægt kan man vise at A(Cs-137) = A (Ba-137m) med god tilnærmelse.
B.2.6 Materialer og metoder Apparatur Til måling med Geiger- Müller-rør: Højtfølsomt Geiger-Müller-rør fra Müller og Sørensen GM-forstærker fra Müller og Sørensen LabQuest fra Vernier Til måling med scintillationsdetektor: Scintillationsdetektor ADACT -udstyr PC med dataopsamlingskort Materialer -kilde. Am-241, 37 kbq. Fra Risø. -kilde. Sr/Y-90, 37 kbq. Fra Risø -kilde. Cs-137, 370 kbq. Fra Risø Cs-137/Ba-137m Isotopgenerator Elueringsvæske: 0,9 % NaCl i 0,04 M HCl Bæger til opsamling af eluat. Blyplader tykkelse 1,2 mm Lineal Stativ og diverse holdere Stopur Metode. Målingerne blev udført efter anvisningerne i ADDA/ADACT -vejledning og Lab- Quest vejledning. Fremgangsmåde Blys halveringstykkelse bestemmes enten ved brug af GM-røret eller scintillationsdetektoren. Halveringstiden for 137m Ba bestemmes enten ved brug af GM-røret eller scintillationsdetektoren. Da institutionen disponerer over 3 isotopgeneratorer kan et helt hold ikke lave denne del samtidig. Halvdelen af et hold starter derfor med at bestemme blys halveringstykkelse og resten starter med at bestemme halveringstiden for 137m Ba.
B.2.7 Bestemmelse af blys halveringstykkelse overfor stråling fra -skolekilden. Følgende fremgangsmåde anvendes hvis GM-røret anvendes. 1. Klargør udstyret til GM-målingerne efter anvisningerne i LabQuest vejledning 2. Indstil måletiden til 1 minut. 3. Monter GM-røret nederst på et stativ og således at GM-røret peger opad og tillader at der lægges blyplader oven på detektoren. Husk at fjerne hætten fra GM-røret. 4. Mål baggrundsstålingen, og noter tælletallet i Resultatskema 1 bagerst i øvelsesvejledningen 5. Monter en -skolekilde på stativet ovenover GM-røret, således at afstanden mellem detektor og kilde (kant til kant) er ca. 5 cm. Se Figur 2. Noter afstand i Resultatskema 1 side B.2.11. 6. Lav en måling og indsæt tælletallet i Resultatskema 1. 7. Udfyld resten af Resultatskema 1 ved at lægge blyplader oven på GM-røret og måle. Figur 2 Opstilling til bestemmelse af blys halveringstykkelse ved brug GM-rør
B.2.8 Følgende fremgangsmåde anvendes hvis scintillationsdetektoren anvendes. 1. Klargør udstyret til målingerne efter anvisningerne ADDA/ADACT - vejledning, idet følgende indstillinger anvendes: o højspændingen til 950V o måletiden til 1 minut o 256 kanaler o Forstærkning = 1 2. Kalibrer scintillationsdetektoren som anvist i ADDA/ADACT -vejledningen o Udskriv eller gem en elektronisk kopi af det kalibrerede spektrum. o Aflæs konstanterne a og b under kontrolpanelet Kalibrering, disse værdier tænkes anvendt ved den teoretiske undervisning. 3. Mål baggrundsstrålingen. Noter det samlede tælletal og tilhørende tællehastighed i Resultatskema 1 bagest i øvelsesvejledningen 4. Monter en -skolekilde på stativet ovenover scintillationsdetektoren, således at afstanden mellem detektor og kilde (kant til kant) er ca. 5 cm. Se Figur 3 5. Lav en måling og aflæs tælletal og tællehastighed i Resultatskema 1. 6. Udfyld resten af Resultatskema 1. ved at lægge blyplader oven på scintillationsdetektoren og måle. Figur 3 Opstilling til bestemmelse af blys halveringstykkelse ved brug scintillationsdetektor
B.2.9 Bestemmelse af halveringstiden for 137m Ba. Følgende fremgangsmåde anvendes hvis GM-røret anvendes. 1. Klargør udstyret til GM-målingerne efter anvisningerne i LabQuestvejledning 2. Indstil måletiden til ½ minut. 3. Monter GM-røret midt på et stativ og således at GM-røret peger nedad og således at afstanden til bordpladen er cirka 5 cm. (noter afstand i Resultatskema 2 bagest i øvelsesvejledningen. Husk at fjerne hætten fra GM-røret. 4. Mål baggrundsstrålingen, og noter tælletallet i Resultatskema 2. 5. Undgå nøl i det følgende. Eluer isotopgeneratoren som beskrevet i vejledningen. Start stopuret umiddelbart efter elueringen. 6. Placer bægeret med eluatet under GM-røret, se Figur 4, og start hurtigst muligt en måling idet tiden for starten af målingen noteres i Resultatskema 2. 7. Efter første måling noteres tælletallet i Resultatskema 2 og en ny måling påbegyndes straks efter, idet tidspunktet for målingens start noteres(en måling/minut er passende). 8. Gentag proceduren i punktet herover indtil der er gået cirka 25 minutter. Oprydning: ½ time efter elueringen kan eluatet hældes i vasken, idet der skylles efter med vand i ca 10 sekunder. Bæger med eluat Hætte til GMrør Figur 4 Opstilling til bestemmelse af T½( 137m Ba) ved brug GM-rør
B.2.10 Følgende fremgangsmåde anvendes hvis scintillationsdetektoren anvendes. 1. Klargør udstyret til målingerne efter anvisningerne ADDA/ADACT - vejledning, idet følgende indstillinger anvendes: o højspændingen til 950V o måletiden til ½ minut o 256 kanaler o Forstærkning = 1 2. Kalibrer scintillationsdetektoren o Udskriv eller gem en elektronisk kopi af det kalibrerede spektrum. o Aflæs konstanterne a og b under kontrolpanelet Kalibrering, disse værdier tænkes anvendt ved den teoretiske undervisning. 7. Mål baggrundsstålingen, og noter tælletallet og tællehastigheden i Resultatskema 2 bagest i øvelsesvejledningen 8. Undgå nøl i det følgende. Eluer isotopgeneratoren som beskrevet i vejledningen. Start stopuret umiddelbart efter elueringen. 9. Placer bægeret med eluatet oven på scintillationsdetektoren og start hurtigst muligt en måling idet tiden (stopuret) for starten af målingen noteres. Figur 5. 10. Efter første måling noteres tælletallet og tællehastigheden i Resultatskema 2 og en ny måling påbegyndes straks efter, idet tidspunktet for målingens start noteres. 11. Gentag proceduren i punktet herover indtil der er gået cirka 25 minutter. Oprydning: ½ time efter elueringen kan eluatet hældes i vasken, idet der skylles efter med vand i ca 10 sekunder. Figur 5 Opstilling til bestemmelse af T½( 137m Ba) ved brug scintillationsdetektor Bæger med eluat
B.2.11 Hjælp til journal-/rapportskrivning: Ad resultatafsnittet Resultatskema 1, blys halveringstykkelse Specielt for scintillationsdetektor: Kalibrering: a = b = Fælles for både GM-rør og scintillationsdetektor Afstand detektor til kilde: cm Baggrund: o Tælletal: counts o Tællehastighed: cps/rate Antal blyplader blytykkelse (mm) A total (counts) r målt/beregnet (cps/rate) R korr (cps) R korr & BG (cps) ln(r korr & BG) 0 0 1 1,2 2 2,4 3 3,6 4 4,8 5 6,0 6 7,2 8 8,6 10 12,0 12 14,4 Resultatskema 1. Målinger til bestemmelse af blys halveringstykkelse Ovenstående hører hjemme i bilag og danner basis for en afbildning af blytykkelsen i mm ud ad x-aksen og ln til tællehastigheden korrigeret for såvel dødtid som baggrund, ln(r korr & BG ) op ad y-aksen. Halveringstykkelsen findes ud fra tendenslinje, hvis forskrift og korrelationskoefficient vises i afbildningen. Laves med fordel i regneark.
B.2.12 Resultatskema 2 halveringstiden for 137m Ba. Specielt GM-rør: Afstand mellem GM-rør og bordplade: cm Specielt for scintillationsdetektor: Kalibrering: a = b = Fælles for både GM-rør og scintillationsdetektor Baggrund: o Tælletal: counts o Tællehastighed: cps/rate Tid (stopur-s) A total (counts) r målt/beregnet (cps/rate) R korr R korr & BG ln(r korr & BG ) Resultatskema 2 til brug ved bestemmelse af halveringsstiden for 137m-Ba Ovenstående hører hjemme i bilag og danner basis for en afbildning af tiden i sekunder ud ad x-aksen og ln til tællehastigheden korrigeret for såvel dødtid som baggrund, ln(r korr & BG ) op ad y-aksen. Halveringstiden findes ud fra tendenslinje, hvis forskrift og korrelationskoefficient vises i afbildningen. Laves med fordel i regneark.