espectro de Cs137

Radioqumica Laboratorio 2010

Espectro Cesio 1/6

MEDICIN del ESPECTRO GAMMA del Cesio-137

Asignatura: Radioqumica Fecha: Autor(es): (nombre y apellido)

NDICE (sugerido)

I Objetivos

II Introduccin

III Materiales y mtodos

IV Resultados V Conclusiones

VI Referencias

Anexo I Caractersticas de la fuente radiactiva de Cesio-137

Anexo II Analizador monocanal (opcional).

I Objetivos. (Se copiar textual.)

Medicin del pico del espectro gamma del Cesio-137 con Analizador Monocanal. Elaboracin del espectro gamma

completo a partir de mediciones de otros autores.

II Introduccin. - Fuente radiactiva: mencionar el nucleido, decir que se miden slo los gammas, incluir el diagrama de decaimiento.

Citar el Anexo I para otras caractersticas de la fuente radiactiva.

- Explicar qu magnitudes se representan en un espectro. Explicar brevemente cmo se obtiene un espectro gamma con un analizador monocanal. (Si se desea incluir ms detalles sobre este tema incluirlos en el Anexo II).

- Calibracin de un espectro, FWHM y resolucin. - Nombres y unidades de las magnitudes a medir y a calcular. Definiciones y expresiones que se usarn para el

clculo de errores.

Nomenclatura sugerida.

Tasa de cuentas R nmero cuentas N; tiempo de cuentas t error de R R.

III Materiales y mtodos. III.1 Materiales y equipos.

- Analizador Monocanal. describir brevemente sus partes principales: cristal centellador de NaI(Ta), tubo fotomultiplicador y electrnica asociada. (Si se desea incluir detalles incluirlos en el Anexo II).

- Esquema bsico de medicin: dibujo simple con los siguientes elementos 1) fuente radiactiva, 2) tubo fotomultiplicador con cristal, 3) alimentacin de alta tensin, 4) electrnica asociada, 5) contador.

- Detalle de la posicin de la fuente radiactiva con respecto al detector de centelleo. - Describir el instrumento para la medicin de tiempo (explicar que est sincronizado con el contador).

III.2 Mtodos.

- Explicacin con detalle y en el orden real de cada paso seguido. Sugerencia de pasos: 1) Seleccin de alta tensin. 2) Seleccin de la ganancia. 3) Eleccin de ventana fija. 4) Forma de ajuste de LLD. 5) Medicin de N de

cuentas. 6) Medicin del tiempo. 7) Clculo del error R. 8) Acotacin de la tasa de cuentas con su error. - Comentar sobre los cuidados y las precauciones. Explicar y comentar cmo se evitan y/o minimizan: a) la deriva

temporal de la alta tensin; b) la constancia de la geometra fuente-detector; c) los pulsos provenientes del ruido

electrnico.

IV Resultados. IV.1 Pico medido del espectro.

- Construir una tabla (con nombres y unidades) que contenga los valores medidos y los clculos realizados. Columnas en la tabla: (1) LLD: borde inferior de la ventana;

(2) t: tiempo de cuentas; (2* ver Nota) t: error del tiempo;

(3) N: nmero de cuentas; (4) N: error de del nmero de cuentas;

(5) R: tasa de cuentas; (6) R: error de la tasa de cuentas;


Espectro Cesio 2/6

* Nota para la tabla: si un valor se mantiene constante (que no es lo mismo que resulte constante de los

clculos) no necesita una columna en la tabla, es suficiente indicarlo antes de la tabla (t es un candidato).

- Dibujar los valores de la tasa de cuentas en funcin del valor de LLD (en voltios). (En el grfico se incluirn datos sobre: fuente radiactiva, fecha, alta tensin, ganancia, tamao de ventana).

IV.2 Espectro completo con datos de otros autores.

- Con todos los datos disponibles, repetir las tareas que se hicieron para el pico medido. En el dibujo de la tasa de cuentas en funcin del valor de LLD, no incluir el valor correspondiente a LLD = 0,0V porque corresponde al

ruido electrnico (mencionar en el informe).

- Identificar los picos correspondientes a las energas gammas de 662 keV y 32 keV. Calibrar la escala horizontal en keV

- Dibujar los valores de la tasa de cuentas en funcin de la energa. Calcular FWHM para 662 keV y calcular la resolucin a esa energa.

V Conclusiones. - Anlisis de la forma del espectro completo e identificacin, en lo posible, de sus regiones. - Comentarios sobre el valor obtenido para la resolucin del detector centellador. - Comentarios sobre las fuentes de error. - Evaluacin de la hiptesis de trabajo referida a despreciar el fondo radiactivo natural.

VI - Referencias. Citar la bibliografa facilitada por la ctedra.

Apuntes de clase.

Si se consult algn material especfico se aadirn las citas. Incluir las direcciones de la web.

Anexo I Fuente radiactiva de Cesio-137.

Descripcin de la fuente: fabricante, N de cdigo, geometra y dimensiones, actividad de referencia con su fecha de

referencia. Diagrama de decaimiento del Cesio-137 (si no se incluy en la Introduccin), energas y eficiencias de

gammas y X.

Anexo II Analizador monocanal. (Opcional).

Informacin detallada, que se considere necesaria, sobre el analizador monocanal.


Espectro Cesio 3/6

COMPLEMENTOS

Para el trabajo prctico de laboratorio: MEDICIN DEL ESPECTRO DEL Cesio-137

El informe se redactar segn las lneas fijadas por la ctedra.

Los puntos siguientes contienen informacin que ser usada para la realizacin del trabajo prctico de laboratorio y

para la redaccin del informe.

I Decaimiento del cesio 137 y su espectro de emisin gamma

II Medicin del espectro.

III Construccin del espectro. IV Tratamiento del espectro.

I Decaimiento del cesio-137 y su espectro de emisin gamma

El Cesio-137 (137Cs55) emite un electrn () y se transforma en Bario-137 (137Ba56) que es estable.

En el 8% de los casos el Bario-137 queda en su estado fundamental.

En el 92% de los casos el Bario-137 queda en un estado excitado (con vida media de 2,6

minutos) y decaer a su estado fundamental

emitiendo un gamma () de 662 keV. En algunos casos el Bario-137 queda en un estado

cercano al fundamental y para llegar a ste emite el exceso de energa como un rayo X de 32 keV.

Para obtener el espectro se cuentan los gammas y X, medidos para distintos intervalos de energas, y se dibuja la

tasa de cuentas en funcin de la energa.

El espectro ideal tendr cuentas solamente en las energas de 32 keV y de 662 keV.

En el espectro real habr un pico en 32 keV y otro pico en 662 keV sobre un fondo que puede

contener mesetas y valles.

Parte de este fondo es causado por gammas de

menor energa que se producen en el instrumento de medicin debido a la interaccin de los gammas de

662 keV con la materia del detector.

Para estudiar el espectro del Cs-137 se cuentan, durante un tiempo t, los fotones que tiene energas en el intervalo ~ (0 a 800) keV.

II Medicin del espectro

El intervalo de energas que se desea medir se divide en partes (usualmente iguales) E que, en la electrnica asociada, se miden en voltios y se llaman ventanas o canales. Para cada ventana o canal se mide el nmero de cuentas (Ni) durante el tiempo t i. As, el canal i, que corresponde a fotones con energas entre Ei y Ei + E, tendr una tasa de cuentas Ri = Ni / t i .

El equipo experimental es un Analizador Monocanal (que se explic en clase). La fuente radiactiva de cesio-137

se adosa al detector y se fija para que no se mueva. En este Analizador Monocanal se debe ajustar

el intervalo total de energas de inters en una

escala entre 0 y 5 voltios y el ancho de cada

ventana o canal es de 0,1 voltios.

Electrnica

asociada contador detector

Fuente

radiactiva Se leen

N (cuentas)

(92%) 0,51MeV

(8%)

1,17 MeV 2,6 min

, 662 keV

137Cs55 (30,03 aos)

137Ba56 (estable)

Diagrama de decaimiento

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 1 2 3 4 5 6

662 keV

32 keV

Fra

cci

n d

e gam

mas

Energa


Espectro Cesio 4/6

El borde inferior de una ventana se llama LLD (Low Level Discriminator). El LLD se vara manualmente con una

perilla y su valor (en voltios) se lee en un multmetro. Una vez fijado el LLD, el equipo cuenta solamente los pulsos

cuyas alturas estn entre LLD y LLD + 0,1 V (ancho de la ventana); estos pulsos corresponden a los gammas con

energas entre Ei y Ei + E.

Para cada ventana (o canal) que se va a medir, se realizan los siguientes pasos:

(i) Se fija el valor de LLD y se anota su valor. (ii) Se pone a cero el contador, se pone a cero el cronmetro. (iii) Se mueve la llave para comenzar la medicin que durar aproximadamente 1 minuto. Se mueve la llave para

terminar la medicin.

(iv) Se anotan los valores del contador (nmero de cuentas N) y del tiempo de la medicin (t en segundos).

(v) Se calcula la tasa de cuentas R y se acota con su error R (ver explicaciones abajo). (vi) Se ordenan los pares de valores correspondientes a (LLD y R) en una tabla que se usar para construir el

espectro completo.

Se calcula R como: R = N/t su error es: R = (R/R) R donde R/R = N/N + t /t

El error en el nmero de cuentas N es N = N1/2, porque las desintegraciones radiactivas obedecen la estadstica

de Poisson (que cumple N = N1/2) y se aproxima N N.

El error en la medicin del tiempo t es t.

Ejemplo: N = 16068 t = 60,50 s t = 0,01 s

Clculo de R: R = N/t = 16068 / 60,50 = 265,5867769 cuentas/s (hay que acotar el nmero de cifras).

Clculo de R:

- t/t = 0,01 s / 60,50 s = 0,000165289 tomando una (1) cifra significativa: t/t = 0,0002.

- N/N = (16068)1/2 / 16068 = 0,0078889 tomando una (1) cifra significativa: /N = 0,008.

- R/R = N/N + t /t = 0,008 + 0,0002 = 0,0082 tomando una (1) cifra significativa: R/R = 0,008.

- R = (R/R) R = 0,008 265,5867769 c/s = 2,12469 c/s tomando una (1) cifra significativa: R = 2 c/s.

Como R est en las unidades se conservan los dgitos de R hasta las unidades redondeando el valor de la dcima:

R = 265,5867769 c/s R = 266 c/s y (R R) = (266 2) c/s.

III Construccin del espectro.

Para los valores medidos de la tabla que contiene LLD y R calculado:

(a) Dibuje R, la tasa de cuentas calculada (en el eje vertical) en funcin del borde de la ventana o canal, LLD, (eje horizontal). No dibuje el canal o ventana con LLD = 0,0V porque corresponde al ruido electrnico.

(b) Identifique los picos correspondientes a las energas gammas de 662 keV y 32 keV. Calibre la escala horizontal en keV (Ver punto IV), para eso se usa una relacin entre energa (en keV) y LLD (en voltios).

(c) Calcule FWHM para 662 keV y calcule la resolucin a esa energa.

IV Tratamiento del espectro.

Calibracin del eje horizontal.

Para calibrar el eje horizontal se necesita identificar al menos 2 picos con energa conocida (E1 y E2) y sus

correspondientes valores de LLD en voltios (V1 y V2). Se tiene as dos pares ordenados (V1, E1) y (V2, E2) con ellos

se calcula la pendiente (m) y la ordenada al origen (n) de la recta de calibracin: E = m. V + n.

Resolucin.

Para un pico centrado en la energa E0, se definen: - El ancho a la mitad de la altura: FWHM (Full

Width at Half Maximun).

- La resolucin = FWHM / E0.

Resolucin tpica para detectores de centelleo (): 5% a 10%.

Altura mxima

FWHM = E2 E1

E2

(altura mxima)

E1 Energa E0


Espectro Cesio 5/6

ESPECTRO COMPLETO MEDIDO


Espectro del cesio-137: valores medidos (abril 2005).

En la siguiente tabla:

LLD (en voltios); todos los canales tienen el mismo ancho igual a 0,1V.

N es el nmero de cuentas para cada canal.

t en segundos es el tiempo de medicin en cada canal. El error de t es t = 0,01 segundos.

LLD t (s) N

LLD t (s) N

LLD t (s) N

LLD t (s) N

LLD t (s) N

0,0 59,78 66380 1,0 63,72 7265 2,0 60,32 4925 3,0 60,47 2186 4,0 60,28 8405

0,1 60,50 16068 1,1 60,37 7344 2,1 60,35 4703 3,1 60,41 1817 4,1 60,40 8161

0,2 60,37 19058 1,2 60,00 7481 2,2 60,50 4649 3,2 60,60 1806 4,2 60,31 7480

0,3 60,40 7259 1,3 60,28 7118 2,3 60,37 4608 3,3 61,28 2268 2,3 60,31 5996

0,4 50,41 6273 1,4 60,12 6599 2,4 60,44 4742 3,4 60,43 2923 4,4 60,34 4333

0,5 62,53 6608 1,5 60,44 6243 2,5 66,44 5007 3,5 60,12 4173 4,5 60,50 2799

0,6 62,79 6569 1,6 60,34 5667 2,6 64,09 4256 3,6 60,34 5339 4,6 60,69 1625

0,7 60,20 6426 1,7 63,94 5799 2,7 50,34 3995 3,7 60,37 6288 4,7 61,22 919

0,8 60,44 6422 1,8 60,38 5134 2,8 60,32 3338 3,8 59,50 7522 4,8 64,03 494

0,9 60,35 6532 1,9 60,28 5062 2,9 60,59 2665 3,9 60,34 8140 4,9 60,81 251


Espectro Cesio 6/6

ESPECIFICACIONES de los EQUIPOS USADOS


1 Tubo fotomultiplicador.

Especificaciones (del fabricante para el equipo nuevo).

Identificacin: RCA 6655A.

Dimetro: 2 pulgadas. Largo: 5 13/16 pulgadas. Ganancia: 2,3 106 (a 1250 V).

10 dinodos, ventana con fotoctodoS11.

Sensibilidad promedio: 50 A/lumen.

2 Cristal de INa.

Especificaciones (del fabricante para el equipo nuevo). Identificacin: Harshaw HA.

Ventana: aluminio.

Dimetro: 5,08 cm. Alto: 5,08 cm.

Longitud de onda de mxima emisin: 4100 A. Constante de decaimiento: 0,25 s. Resolucin para Cs-137: 7,7%.

3 Fuente radiactiva de cesio-137 (137

Cs55 ).

Especificaciones.

Identificacin: CNEA 102-90 Actividad en tiempo t0: A0 = 1,34Ci = 48,58 kBq Tiempo t0: 01-10-90 Perodo de semidesintegracin (half life): T1/2 = 30,03 aos

Actividad en el tiempo t: A = A0 exp [- (t - t0)] Con: = ln 2 / T1/2 Unidades de actividad: 1 Bq = 1 desintegracin/s 1 Ci = 3,71010 Bq

Energa Eficiencia en 100 Energa y X Eficiencia en 100 en MeV decaimientos en keV decaimientos

0,51 92 % () 662 80 %

1,17 8 % (X) 32 - - -

(92%) 0,51MeV (8%)

1,17 MeV

2,6 min

, 0,662 MeV

137Cs55 30,17 aos

137Ba56 estable

3 mm

3 cm 2 mm

(Cesio-137)

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