Учебный эксперимент: Удобрение и идентификация фотопика

Комплект оборудования: 

Цель эксперимента:

Запишите энергетический спектр образца удобрения и идентифицируйте пик калия. Этот эксперимент направит пользователя на выбор области интереса (ROI) и выполнение аппроксимации пика гауссовой функцией. Данный образец также может быть использован в качестве эталона для калибровки спектра.

Основы эксперимента:

Калий — это природный элемент, радиоактивный изотоп которого, ⁴⁰K, широко распространён на Земле, особенно в пище и в организме человека. Он играет важную роль в геологии, в частности — в датировке образцов и горных пород. Один из основных путей распада — в изотоп ⁴⁰Ar, который остаётся «запертым» внутри кристаллической структуры минералов. Зная период полураспада ⁴⁰K  и измеряя соотношение между ⁴⁰K и ⁴⁰Ar, можно точно определить возраст исследуемого материала.

Ещё одно интересное применение — так называемая банановая эквивалентная доза (Banana Equivalent Dose, BED), «дружественная пользователю» единица измерения радиоактивности. Бананы естественным образом содержат ⁴⁰K, и 1 BED соответствует примерно 0,1 мкЗв  эквивалентной дозы.

Для понимания масштабов:

• Один рентген зуба  эквивалентен  поеданию 50 бананов,

• Средняя суточная доза природного фона  — около 100 BED ,

• Смертельная доза — эквивалент100 миллионов бананов .

Такая единица была введена для того, чтобы показать, что многие объекты повседневной жизни обладают естественной, но безопасной радиоактивностью.

Проведение эксперимента:

Установите модуль i-Spector digital в основание и поместите коробку с удобрением в держатель образца. Включите питание i-Spector и подключите Ethernet-кабель. Через веб-интерфейс дождитесь стабилизации температуры (это может занять до 30 минут после включения).

Проверьте форму сигнала (осциллограмму), при необходимости откорректируйте порог срабатывания и ширину окна сбора сигнала (gate width), затем начните измерение энергетического спектра.

Проведите 30 минут накопления данных с образцом удобрения.

Примечание: при измерении фоновой радиоактивности настройки и время сбора данных должны быть идентичны. Свинцовые блоки могут помочь лучше выделить пик калия, но их следует использовать только в том случае, если они применялись и при фоновых измерениях.

Блок-схема экспериментальной установки:

 Результат эксперимента:

В этом эксперименте можно выполнить несколько последовательных шагов:

1. Вычитание фона — сначала сохраните спектры фона и образца удобрения в формате .csv. Затем выполните поканальное (bin-by-bin) вычитание спектров, чтобы получить чистый спектр удобрения. Следует учитывать, что небольшая часть пика ⁴⁰K может присутствовать и в фоновом спектре.

2. Выделение пика калия-40 — выберите область интереса (ROI), содержащую пик ⁴⁰K, в вычитанном спектре.

3. Аппроксимация пика — выполните подгонку выделенного пика с использованием гауссовой функции для определения его положения и ширины.

4. Калибровка энергии — полученный пик ⁴⁰K (с ожидаемым значением 1460,8 кэВ) можно использовать совместно с пиками, полученными от кристалла LYSO (например, 202 кэВ и 307 кэВ), для построения энергетической калибровочной кривой системы (эксперимент ID.6140).

Этот процесс позволяет точно определить соответствие между положениями пиков в спектре и энергетическими значениями, что критически важно для дальнейшего анализа радиоактивных источников.

Образец удобрения: полное излучение вместе с фоном показано слева; справа — спектр после вычитания фоновой составляющей с гауссовой аппроксимацией пика ⁴⁰K . Среднее значение пика согласуется с ожидаемым значением 1460.8 кэВ: