к.ф.-м.н. Штоцкий Юрий Владимирович yshtotsky @ mail.ru НИЯУ МИФИ -

«МИФИ» - ИФИБ
Кафедра «Медицинская физика»
2018 г.
Калий в организме человека и

определение его содержания с помощью гамма-спектрометра

Мастер-класс для школьников инженерных классов

калия, т.е. 2 г/кг веса. Следовательно, удельная активность тела составляет ~ 62 Бк/кг.
Радиоактивный

Калий-40 (40К)

Кроме урана и тория, существуют ещё несколько долгоживущих нуклидов, оставшихся на Земле со времён творения (элементов):
40K (Т1/2 = 1.248×109 лет), 50V, 87Rb, 115In, 123Te, 138La, 176Lu.

Природная смесь изотопов калия содержит:

39К ( 93,08% ), 40К ( 0,0117% ), 41К ( 6,91% );

Удельная активность природного калия равна
~ 31 Бк/г

→ 40Ar
Т1/2 = 1.25×109 лет

Закон радиоактивного распада


где λ- постоянная распада

λ

= ln(2) / T1/2 = 1.8·10-17 c-1

 Активность 1 грамма  40K A = N· λ = 2,65⋅105 Бк. 

 Активность 1 грамма природного   калия 31 Бк

т.е. 1 г калия испускает каждую секунду в среднем
27.6 электронов Emax=1.3 МэВ
3.4 γ-кванта Eγ=1.46 МэВ

калия равна
~ 31 Бк/г
Из них 88% бета и

11% гамма
Измеряются только гамма-кванты с Eγ=1.46 МэВ , которые слабо поглощаются органическими веществами.
Для калибровки активности используются реперные образцы (с известной концентрацией К)
Далее активность продукта легко пересчитывается в содержание калия в граммах

Удельная активность пищевых продуктов по К-40, Бк/г

кислотно - щелочное равновесие крови, водный баланс межклеточной и клеточной

жидкости, водно-солевой баланс, осмотическое давление;
принимает участие в передаче нервных импульсов;
активизирует работу некоторых ферментов, углеводный и белковый обмен;
требуется для синтеза белка, преобразования глюкозы в гликоген;
необходим для осуществления выделительной функции почек;
улучшает деятельность кишечника;
поддерживает нормальный уровень кровяного давления, принимает участие в нервной регуляции сердечных сокращений

энергии излучения, испускаемого при распаде радионуклида.
Для регистрации ионизирующих излучений используются

следующие основные типы детекторов:
Газовые детекторы – регистрируют заряженные частицы
Сцинтилляционные детекторы - регистрируют гамма-излучение средних и больших энергий
Полупроводниковые детекторы на основе германия и кремния - регистрируют заряженные частицы и гамма-излучение с высоким энергетическим разрешением

Ядерно-физические методы регистрации содержания радиоизотопов

гамма-спектрометр «МУЛЬТИРАД – гамма»

детектора, регистрирующего γ-излучение исследуемого образца.



Сцинтилляционный блок детектирования включает в себя:
-

сцинтиллятор - кристалл NaI(Tl) – преобразует энергию 1,46 МэВ (40К) поглощённого гамма-кванта в ~ 2000 фотонов с энергией ~ 1,5 эВ (видимый свет);
- фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - преобразует фотоны в фотоэлектроны, увеличивает их количество в ~ 106 раз и формирует на выходе импульс тока, амплитуда которого пропорциональна энергии гамма-кванта (1,46 МэВ);
- усилитель спектрометрический импульсный (СИУ);
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – формирует цифровой код сигнала для передачи в ПК;
- система светодиодной стабилизации спектрометрического тракта.

поглощении фотонов фотокатод испускает фотоэлектроны, которые под действием приложенного электрического

поля попадают на первый динод, при этом каждый фотоэлектрон приобретает энергию ~ 100 эВ. При поглощении этой энергии в веществе динода из него вылетают несколько (2-5) вторичных электронов, которые направляются к следующему диноду, где происходит их дальнейшее умножение. После вылета из последнего динода электроны собираются на аноде и формируют выходной сигнал.

крышка;
4 - винт заземления;
5 – шарик;
6 – вставка.

Сосуд
Маринелли с образцом

гамма-детектор

( 0 ÷ 1999) амплитудного анализатора (ось Х).
Чем выше энергия

гамма-кванта, тем больше амплитуда импульса и больше номер канала

Энергетический спектр от калибровочного источника гамма-квантов с энергиями 0,66 МэВ (l37Cs) и 1,46 МэВ (40K)

Окно суммирования

энергетический спектр 40К для эталонного образца KCl, содержащего МK =

550 гр. калия. Вычислить сумму событий NKCl, зарегистрированных в области пика 1,46 МэВ
2. Измерить энергетический спектр 40К для исследуемого вещества. Вычислить сумму событий NX, зарегистрированных в области пика 1,46 МэВ
3. Измерить энергетический спектр фона (без образца). Вычислить сумму событий NФон, зарегистрированных в области пика 1,46 МэВ
4. Вычислить массу калия МХ в исследуемом веществе:



5. Определить ошибку измерений массы калия